La recherche intensive et mondiale de la matière noire, la masse manquante dans l’univers, n’a jusqu’à présent pas réussi à trouver une abondance d’étoiles sombres et massives ou des quantités de nouvelles particules étranges à faible interaction, mais un nouveau candidat gagne lentement des adeptes et un soutien observationnel.

Appelées SIMPs – particules massives à forte interaction – elles ont été proposées il y a trois ans par le physicien théoricien de l’Université de Californie, Berkeley Hitoshi Murayama, professeur de physique et directeur de l’Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l’Univers (Kavli IPMU) au Japon, et l’ancienne postdoc de l’UC Berkeley Yonit Hochberg, maintenant à l’Université hébraïque en Israël.

Murayama dit que les observations récentes d’un empilement de galaxies proches pourraient être des preuves de l’existence des SIMP, et il prévoit que les futures expériences de physique des particules découvriront l’un d’entre eux.

Murayama a discuté de ses dernières idées théoriques sur les SIMP et de la façon dont les galaxies en collision soutiennent la théorie lors d’une conférence invitée le 4 déc. Les astronomes ont calculé que la matière noire, bien qu’invisible, constitue environ 85 % de la masse de l’univers. La preuve la plus solide de son existence est le mouvement des étoiles à l’intérieur des galaxies : Sans cette masse invisible de matière noire, les galaxies s’effondreraient. Dans certaines galaxies, les étoiles visibles sont si rares que la matière noire représente 99,9 % de la masse de la galaxie.

Les théoriciens ont d’abord pensé que cette matière invisible n’était que de la matière normale trop faible pour être vue : des étoiles ratées appelées naines brunes, des étoiles brûlées ou des trous noirs. Pourtant, les objets compacts massifs du halo – MACHO – n’ont pas été découverts et, plus tôt cette année, une étude de la galaxie d’Andromède réalisée par le télescope Subaru a permis d’exclure toute population importante de trous noirs non découverts. Les chercheurs ont cherché des trous noirs datant du tout début de l’univers, appelés trous noirs primordiaux, en recherchant les éclats soudains produits lorsqu’ils passent devant des étoiles de fond et agissent comme une faible lentille. Ils n’en ont trouvé qu’un seul – trop peu pour contribuer de manière significative à la masse de la galaxie.

« Cette étude a pratiquement éliminé la possibilité des MACHO ; je dirais qu’elle a pratiquement disparu », a déclaré Murayama.

Les WIMP – particules massives à faible interaction – n’ont pas connu un meilleur sort, bien qu’elles aient été au centre de l’attention des chercheurs pendant plusieurs décennies. Elles doivent être relativement grandes – environ 100 fois plus lourdes que le proton – et interagir si rarement entre elles qu’elles sont qualifiées de « faiblement » interactives. On pensait qu’ils interagissaient plus fréquemment avec la matière normale par le biais de la gravité, contribuant à attirer la matière normale en amas qui se développent en galaxies et donnent finalement naissance à des étoiles.

Les SIMPs interagissent avec eux-mêmes, mais pas avec les autres

Les SIMPs, comme les WIMPs et les MACHOs, auraient théoriquement été produits en grandes quantités au début de l’histoire de l’univers et se seraient depuis refroidis à la température cosmique moyenne. Mais contrairement aux WIMPs, les SIMPs sont censés interagir fortement avec eux-mêmes via la gravité, mais très faiblement avec la matière normale. L’une des possibilités proposées par Murayama est qu’un SIMP soit une nouvelle combinaison de quarks, qui sont les composants fondamentaux de particules comme le proton et le neutron, appelés baryons. Alors que les protons et les neutrons sont composés de trois quarks, un SIMP ressemblerait davantage à un pion en n’en contenant que deux : un quark et un antiquark.

Le SIMP serait plus petit qu’un WIMP, avec une taille ou une section transversale comme celle d’un noyau atomique, ce qui implique qu’ils sont plus nombreux que les WIMP. Un nombre plus important signifierait que, malgré leur faible interaction avec la matière normale – principalement en se diffusant à partir de celle-ci, par opposition à la fusion ou à la désintégration dans la matière normale – ils laisseraient quand même une empreinte sur la matière normale, a déclaré Murayama.

Il voit une telle empreinte dans quatre galaxies en collision au sein de l’amas Abell 3827, où, étonnamment, la matière noire semble être à la traîne de la matière visible. Cela pourrait s’expliquer, dit-il, par des interactions entre la matière noire dans chaque galaxie qui ralentissent la fusion de la matière noire mais pas celle de la matière normale, essentiellement des étoiles.

« Une façon de comprendre pourquoi la matière noire est à la traîne de la matière lumineuse est que les particules de matière noire ont en fait une taille finie, elles se dispersent les unes contre les autres, donc quand elles veulent se déplacer vers le reste du système, elles sont repoussées », a déclaré Murayama. « Cela expliquerait l’observation. C’est le genre de chose prédite par ma théorie de la matière noire étant un état lié d’un nouveau type de quarks. »

Les WIMPs ont également surmonté une défaillance majeure de la théorie WIMP : la capacité à expliquer la distribution de la matière noire dans les petites galaxies.

« Il y a cette énigme de longue date : si vous regardez les galaxies naines, qui sont très petites avec assez peu d’étoiles, elles sont vraiment dominées par la matière noire. Et si vous faites des simulations numériques de la façon dont la matière noire s’agglomère, elles prédisent toujours qu’il y a une énorme concentration vers le centre. Un point de rebroussement », a déclaré Murayama. « Mais les observations semblent suggérer que la concentration est plus plate : un noyau au lieu d’une cuspide. Le problème du noyau/cuspide a été considéré comme l’un des principaux problèmes de la matière noire qui n’interagit pas autrement que par la gravité. Mais si la matière noire a une taille finie, comme un SIMP, les particules peuvent s’entrechoquer et se disperser, ce qui a pour effet d’aplatir le profil de masse vers le centre. C’est une autre « preuve » de ce type d’idée théorique. »

Les recherches en cours pour les WIMPs et les axions

Des expériences au sol pour rechercher les SIMPs sont en cours de planification, principalement dans des accélérateurs comme le Grand collisionneur de hadrons du CERN à Genève, où les physiciens sont toujours à la recherche de particules inconnues qui correspondent à de nouvelles prédictions. Une autre expérience au collisionneur linéaire international prévu au Japon pourrait également être utilisée pour rechercher les SIMPs.

Alors que Murayama et ses collègues affinent la théorie des SIMPs et cherchent des moyens de les trouver, la recherche des WIMPs se poursuit. L’expérience Large Underground Xenon (LUX) sur la matière noire dans une mine souterraine du Dakota du Sud a fixé des limites strictes sur ce à quoi peut ressembler un WIMP, et une expérience améliorée appelée LZ repoussera encore ces limites. Daniel McKinsey, professeur de physique à l’UC Berkeley, est l’un des co-porteurs de cette expérience, travaillant en étroite collaboration avec le Lawrence Berkeley National Laboratory, où Murayama est un scientifique senior de la faculté.

Les physiciens recherchent également d’autres candidats à la matière noire qui ne sont pas des WIMPs. Le corps professoral de l’UC Berkeley participe à deux expériences visant à rechercher une particule hypothétique appelée axion, qui pourrait répondre aux exigences de la matière noire. L’expérience CASPEr (Cosmic Axion Spin-Precession Experiment), dirigée par Dmitry Budker, professeur émérite de physique actuellement à l’université de Mayence en Allemagne, et le théoricien Surjeet Rajendran, professeur de physique à l’université de Berkeley, prévoit de rechercher des perturbations du spin nucléaire causées par un champ d’axion. Karl van Bibber, professeur d’ingénierie nucléaire, joue un rôle clé dans l’Axion Dark Matter eXperiment – High Frequency (ADMX-HF), qui cherche à détecter les axions à l’intérieur d’une cavité micro-ondes dans un fort champ magnétique lorsqu’ils se convertissent en photons.

« Bien sûr, nous ne devons pas abandonner la recherche des WIMPs », a déclaré Murayama, « mais les limites expérimentales deviennent vraiment, vraiment importantes. Une fois que vous arrivez au niveau de mesure, où nous serons dans un avenir proche, même les neutrinos finissent par être le fond de l’expérience, ce qui est inimaginable.

Les neutrinos interagissent si rarement avec la matière normale qu’environ 100 trillions traversent notre corps chaque seconde sans que nous nous en rendions compte, ce qui les rend extrêmement difficiles à détecter.

« Le consensus de la communauté est en quelque sorte, nous ne savons pas jusqu’où nous devons aller, mais nous devons au moins descendre à ce niveau », a-t-il ajouté. « Mais comme il n’y a définitivement aucun signe d’apparition de WIMPs, les gens commencent à penser plus largement ces jours-ci. Arrêtons-nous pour y réfléchir à nouveau. »