La matière noire était-elle vraiment froide dès l’origine ?
La recherche de la matière noire, qui représente près de 25 % du contenu de l’Univers, est actuellement confrontée à des défis majeurs. Bien que cette matière soit essentielle pour expliquer la dynamique des galaxies et la formation des grandes structures, aucune expérience n’a encore réussi à la détecter. Les observations cosmologiques suggèrent que la matière noire est principalement « froide », c’est-à-dire composée de particules se déplaçant à des vitesses relativement faibles, ce qui a conduit à l’idée qu’elle aurait émergé froide du plasma primordial. Cependant, une nouvelle étude menée par Yann Mambrini et ses collègues remet en question cette hypothèse.
La difficulté à traquer la matière noire réside dans le fait que sa nature reste inconnue, malgré de nombreux candidats théoriques. Parmi eux, les particules appelées WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), qui ont une masse significative et interagissent faiblement avec la matière ordinaire, sont les plus étudiées. Les expériences de détection directe, qui tentent de repérer les collisions entre WIMPs et atomes, n’ont jusqu’à présent enregistré aucun signal, soulevant des questions sur la validité de ce modèle.
En 2022, lors du programme Snowmass aux États-Unis, les scientifiques ont convenu de poursuivre l’exploration du scénario WIMP tout en reconnaissant la nécessité d’explorer d’autres pistes. Mambrini et son équipe proposent une réévaluation des hypothèses sur la formation de la matière noire dans l’Univers primordial, suggérant que des particules de matière noire pourraient se former dans un contexte différent de celui traditionnellement envisagé.
Le modèle du Big Bang, qui décrit l’histoire de l’Univers, commence par une phase d’inflation, suivie d’une période de réchauffement où le plasma se refroidit progressivement. Les WIMPs, en raison de leur masse, auraient pu se découpler du plasma à des vitesses faibles, formant ainsi de la matière noire froide. Cependant, les neutrinos, qui se déplacent à des vitesses proches de celle de la lumière, n’auraient pas pu jouer ce rôle.
Mambrini et ses collègues avancent que si les particules de matière noire se séparaient du plasma pendant la phase de réchauffement, elles pourraient initialement être ultrarelativistes, mais devenir non relativistes par la suite. Ce scénario, qu’ils appellent « ultrarelativistic freeze-out » (UFO), pourrait expliquer la formation de matière noire froide, tout en étant compatible avec les observations des grandes structures de l’Univers.
Quant à la détection de cette nouvelle forme de matière noire, Mambrini souligne que les particules proposées auraient des masses inférieures au gigaélectronvolt, rendant leur détection par les méthodes actuelles difficile. Des projets comme Sensei et Damic-M, qui explorent d’autres technologies, pourraient offrir des pistes pour tester ces nouvelles hypothèses.
Cette recherche élargit le champ des possibilités concernant les candidats à la matière noire et pourrait également apporter des éclairages sur d’autres questions cosmologiques, telles que l’asymétrie matière-antimatière.
Source : Pour la Science
