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 confrontée à un défi majeur : aucune expérience n’a encore réussi à la détecter. Cette matière est essentielle pour expliquer la dynamique des galaxies et la formation des grandes structures, ainsi que certaines caractéristiques du rayonnement émis dans l’Univers primordial. Les observations cosmologiques pointent vers ce qu’on appelle la « matière noire froide », c’est-à-dire des particules se déplaçant à des vitesses relativement faibles. Cependant, une nouvelle étude menée par Yann Mambrini de l’IJCLab et de l’université Paris-Saclay remet en question l’idée que cette matière était froide dès son émergence du plasma primordial.
La difficulté à traquer la matière noire provient de l’incertitude quant à sa nature. Les physiciens ont proposé plusieurs candidats, parmi lesquels les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), qui sont des particules massives interagissant faiblement avec la matière ordinaire. Les expériences de détection directe, qui tentent de repérer ces particules, n’ont jusqu’à présent enregistré aucun signal, soulevant des questions sur les hypothèses entourant les WIMPs.
Lors de la réunion du programme Snowmass en 2022, des scientifiques ont convenu de la nécessité de poursuivre l’exploration des WIMPs et d’autres candidats, comme l’axion, tout en soulignant l’importance d’élargir les perspectives de recherche. Dans ce cadre, Mambrini et ses collègues invitent à revoir les hypothèses concernant la formation de la matière noire dans l’Univers primordial.
Les physiciens ont également exploré d’autres pistes, comme les FIMPs (Feebly Interacting Massive Particles), qui interagissent encore moins avec la matière ordinaire. L’hypothèse d’un neutrino comme candidat à la matière noire a été écartée, car cette particule se déplace à des vitesses proches de celle de la lumière, rendant difficile la formation des structures observées dans l’Univers.
Mambrini et ses collègues, Stephen Henrich et Keith Olive, suggèrent que la situation pourrait être plus complexe. Selon leur étude, la période de réchauffement post-inflationnaire pourrait influencer la vitesse des candidats à la matière noire. Ils ont développé un modèle, nommé « UFO » pour ultrarelativistic freeze-out, qui propose que des particules se séparant du plasma pendant cette phase pourraient devenir non relativistes, tout en formant de la matière noire froide.
Ce modèle pourrait permettre d’expliquer la densité de matière noire dans l’Univers, tout en restant compatible avec les observations des grandes structures. Cependant, les particules envisagées dans ce scénario sont très légères, ce qui complique leur détection par les méthodes traditionnelles. Des projets comme Sensei et Damic-M explorent des technologies sensibles à des collisions avec des électrons, visant à sonder des masses plus légères.
L’étude de Mambrini et de ses collègues ouvre de nouvelles voies pour la recherche sur la matière noire et pourrait également apporter des éclaircissements sur d’autres questions cosmologiques, telles que l’asymétrie matière-antimatière.
Source : Pour la Science
