Cosmologie quantique Quelques rêveries mathématiques entre deux infinis

La matière sombre en sept questions

La matière sombre préoccupe les équipes scientifiques depuis de nombreuses années. Ces deux mots désignent un hypothétique constituant du bilan énergétique universel n'ayant à ce jour aucune explication rationnelle satisfaisante. Cet article tente de présenter succinctement le sujet et l'état d'avancement provisoire de la recherche en sept questions sans réponse.

... sans réponse

  1. De quoi s’agit-il ?

L’hypothèse la plus répandue et la mieux acceptée veut attribuer l’origine de cette matière invisible à une particule interagissant peu et dont la masse serait comprise entre dix et cent fois celle du proton.

  1. Peut-on la détecter directement ?

En principe oui, avec des détecteurs suffisamment sensibles et si on attend assez longtemps. Las, malheureusement, après plusieurs dizaines d’années de quête, aucun des détecteurs construits à ce jour n’a pu détecter le moindre signal (PandaX-II Collaboration, XENON Collaboration, LUX Collaboration, ATLAS Collaboration, CMS Collaboration, etc.) ; voir complément plus bas.

  1. N’y aurait-il pas plusieurs constituants au lieu d’un seul ?

Il a effectivement été émis l’idée que la matière sombre pourrait très bien être représentée par divers porteurs : neutrinos, mini-trous noirs, axions, photons sombres, etc.

Là encore, aucun résultat satisfaisant. L’hypothèse « neutrino » ne suffit pas, à elle seule, à expliquer la totalité de la masse sombre présente dans l’univers.

  1. Y-en-a-t-il autour de toutes les galaxies ?

Non ; par exemple la galaxie NGC 1052-DF2 semble ne pas en avoir du tout. Un résultat que contestent d’autres équipes en arguant du fait que la distance entre nous et cette étrange galaxie serait mal estimée, faussant du coup la conclusion qui en avait été tirée. L’absence de matière sombre autour de certaines galaxies, si elle était confirmée, ne ferait qu’épaissir un peu plus le mystère entourant ce sujet.

  1. La matière sombre est-elle porteuse d’une charge électrique ?

L’hypothèse a été suggérée. A ce jour, il n’y a pas d’expérience pour la confirmer.

  1. Les particules ordinaires peuvent-elles se désintégrer en particules constituant la matière sombre ?

Là aussi : grand point d’interrogation ! L’idée est actuellement supportée par des expériences de désintégration du neutron en proton, électron, neutrino selon deux protocoles différents exhibant des durées différentes (un peu moins de dix secondes selon le protocole choisi) ; certaines équipes veulent y voir la preuve d’un processus de désintégration incluant indirectement une ou plusieurs particules constituant la masse sombre [01].

  1. La matière sombre existe-t-elle vraiment ? Sous-entendu : est-elle de nature particulaire ?

C’est la question ultime que posent certaines équipes. Elles ne mettent pas du tout en doute les mesures prouvant l’existence d’un problème dans la balance des masses. Elles suggèrent que l’explication serait à chercher ailleurs ; par exemple : dans des modifications encore mal comprises de la géométrie de l’espace-temps entourant les galaxies.

Avec cet état d’esprit, elles invitent à réexaminer la théorie de la gravitation et à y apporter les modifications permettant d’expliquer les observations.

Il est inutile de préciser que cette vision alternative alimente les polémiques puisqu’elle suppose d’accepter de rediscuter l’œuvre maitresse qu’est la théorie d’A. Einstein.

C’est pourtant la voie actuellement choisie par diverses équipes restées fidèles à l’esprit scientifique ; c’est-à-dire par celles qui sont sans cesse prêtes à réexaminer les fondations de la physique tout en les mettant en perspective avec les mesures issues des observations.

L’étude approfondie des limites séparant la théorie d’A. Einstein de celle de Newton [02] et du gravitomagnétisme dans le cadre de la théorie de la relativité générale servent ici de fil conducteur [03], [04].

© Thierry PERIAT, texte paru le 23 mars 2022 pour la première fois, actualisé le 21 décembre 2022.

Bibliographie indicative

[01] Dark Matter Interpretation of the neutron Decay Anomaly, Phys. Rev. Lett. 120, 191801 (2018), published 9 May 2018.

[02] Editorial note to: On the Newtonian limit of Einstein’s theory of gravitation (by Jürgen Ehlers); General Relativity and Gravitation (2019) 51:162, doi.org/10.1007/s10714-019-2623-1.

[03] Gravitoelectromagnetism: A brief Review; arXiv:gr-qc/0311030v2 17 April 2008

[04] Galactic dynamics in General Relativity: The role of Gravitomagnetism; arXiv: 2112.08290v2 [gr-qc] 4 October 2022.

Matière sombre : « De quelle nature es-tu donc ? » (texte paru en 2017).

La matière sombre n’émet rien, ne rayonne ni n’absorbe de la lumière, mais la plupart des modèles théoriques la concernant prédisent qu’elle peut de temps en temps interagir avec la matière visible ordinaire.

Depuis la fin des années 80, les scientifiques déploient des merveilles d’ingéniosité afin de tenter d’isoler les particules susceptibles de constituer cette matière sombre. Qui plus est, pendant les quinze dernières années, la sensibilité des appareillages a augmenté de façon exponentielle, doublant pratiquement tous les ans en moyenne.

Deux collaborations scientifiques indépendantes l’une de l’autre (XENON et PANDA-II) ont eu lieu dans cette course apparemment incessante au progrès.

Les deux équipes, l’une en Italie et l’autre en Chine, utilisent du xénon liquide. Ce matériau a été choisi pour sa faible réactivité ; elle permet de maintenir un niveau zéro sous-jacent d’évènements à un niveau très bas. Il l’a également été en raison de sa masse atomique importante (131 nucléons en moyenne), ce qui fait de lui une cible assez large pour interagir avec les particules passant éventuellement à leur niveau au travers de la Terre.

Une interaction avec le xénon, quand elle existe, produit un signal, fût-il infime, qui peut ensuite être visualisé soit à cause d’une scintillation, soit à cause d’une ionisation. Toute interaction nous révèle une partie des propriétés des particules interagissant. Toute absence de détection nous en dit également beaucoup sur ce que la matière sombre n’est pas.

Et justement, les publications rendant compte de ces non-interactions ne nous disent donc rien sur la nature même des particules de matière sombre. Mais elles nous donnent une très précieuse indication sur la section efficace maximale de ces hypothétiques particules. Et le résultat est sidérant puisqu’il est des millions de fois plus petit que la section efficace d’interaction prédite pour un hypothétique neutrino portant une énergie de 100 GeV.

L’une des explications retenues pour expliquer l’absence même d’interaction est que ces hypothétiques particules de matière sombre constituent ce que les spécialistes appellent le secteur des particules cachées, difficile à produire dans les accélérateurs et interagissant si peu qu’il nous faut imaginer d’autres moyens de détecter leurs interactions indirectes. 

Pour d’autres chercheurs, ces résultats négatifs représentent une sorte de cassure dans le monde des représentations des particules ; ils pensent qu’elles ne sont pas du tout ce que nous avons toujours pensé qu’elles seraient.

 Pour autant, la technique des détections n’a jamais autant progressé qu’au cours de ces dernières années et ces nouveaux mystères sont autant d’opportunités pour les constructeurs de modèles théoriques...   

© Thierry PERIAT, texte paru le 4 novembre 2017.

Date de dernière mise à jour : 06/01/2023

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