La matière noire était-elle vraiment froide dès l’origine ?
La recherche de la matière noire, qui représente environ 25 % du contenu de l’Univers, semble actuellement dans une impasse. Bien qu’elle soit cinq fois plus abondante que la matière ordinaire, aucune expérience n’a encore réussi à la détecter. La matière noire est essentielle pour expliquer la dynamique des galaxies et la formation des grandes structures, telles que les filaments de gaz et les superamas de galaxies. Des observations cosmologiques indiquent que cette matière noire est probablement de type « froide », c’est-à-dire composée de particules se déplaçant à des vitesses relativement faibles. Traditionnellement, les physiciens pensaient que cela signifiait que la matière noire émergeait déjà froide du plasma primordial. Cependant, des chercheurs, dont Yann Mambrini de l’IJCLab et de l’Université Paris-Saclay, remettent cette hypothèse en question.
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La nature de la matière noire demeure mystérieuse, malgré de nombreux candidats théoriques. Parmi ceux-ci, les particules appelées WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) sont souvent mises en avant. Ces particules sont supposées avoir une masse significative, typiquement une centaine de fois celle du proton, et interagir faiblement avec la matière ordinaire.
Du paradigme WIMP à ses limites
Les expériences de détection directe, qui tentent d’identifier les WIMPs, utilisent de grands volumes de matériaux purs, comme le xénon liquide, entourés de capteurs ultrasensibles. Malgré des décennies d’efforts, aucun signal n’a été détecté, soulevant des doutes sur la validité des hypothèses concernant les WIMPs.
En 2022, lors du programme Snowmass, la communauté scientifique a convenu de continuer à explorer le modèle WIMP tout en élargissant ses recherches à d’autres candidats, comme les axions. Dans ce contexte, Mambrini et ses collègues proposent de reconsidérer certaines hypothèses sur la formation de la matière noire dans l’Univers primordial.
Une hypothèse implicite remise en cause
Les physiciens ont traditionnellement supposé que la période de réchauffement post-inflationnaire n’influençait pas la vitesse des candidats à la matière noire. Cependant, Mambrini et ses collègues suggèrent que si les particules de matière noire se séparaient du plasma durant cette phase, elles pourraient initialement se déplacer à des vitesses relativistes avant de devenir non relativistes, entraînant ainsi la formation de matière noire froide. Ce scénario, nommé « ultrarelativistic freeze-out » (UFO), pourrait expliquer la densité observée de matière noire dans l’Univers.
Perspectives de détection
Yann Mambrini souligne que les particules de matière noire envisagées dans ce scénario seraient très légères, avec des masses inférieures au gigaélectronvolt. Ces particules ne produiraient pas suffisamment d’énergie pour déclencher une ionisation dans les expériences de détection directe. Cependant, des projets utilisant des technologies différentes, comme les expériences Sensei au Fermilab et Damic-M, pourraient permettre de sonder des masses comprises entre le kiloélectronvolt et le mégaélectronvolt.
Ces nouvelles perspectives pourraient élargir le champ des candidats à la matière noire, tout en contribuant à d’autres questions cosmologiques, comme l’asymétrie matière-antimatière.
Source : Pour la Science
