Notes sur le thème de découvrir l'Univers: la matière sombre exotique, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez9 January 2014

Notes sur le thème de découvrir l'Univers: la matière sombre exotique, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur le thème de découvrir l'Univers: la matière sombre exotique. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Les neutrinos, Les particules massives à faible interaction, Détecter les neutrinos, Dé...
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Les neutrinos

Les candidats formés de matière ordinaire, ou baryonique, ne peuvent pas à eux seuls

expliquer toute la masse cachée. Les résultats du satellite WMAP ont confirmé en 2003 ce que

l'on soupçonnait déjà auparavant, qu'il existe une matière non baryonique, qualifiée d'exotique,

dont la masse est au moins 5 fois plus importante que celle de la matière ordinaire. Les

astrophysiciens doivent donc également faire appel à des particules plus exotiques.

Une première possibilité est le neutrino, une particule qui interagit très faiblement avec la

matière ordinaire mais que des observatoires sous-terrains ont néanmoins réussi à détecter. Le

neutrino fut longtemps considéré comme une particule de masse nulle comme le photon.

Cependant, plusieurs expériences semblent montrer qu'il n'en est pas ainsi et qu'une très faible

masse n'est pas exclue.

Si tel était le cas, les neutrinos pourraient expliquer en partie la masse cachée exotique. En

effet, avec une densité moyenne de 100 particules par centimètre cube, les neutrinos sont très

abondants dans l'Univers, bien plus que les protons ou les neutrons. Même si la masse d'une

seule particule est très faible, leur grande abondance pourrait bien permettre aux neutrinos

d'apporter une contribution majeure à la densité de l'Univers.

Les particules massives à faible interaction

Le neutrino n'est pas le seul candidat exotique. Dans leur quête d'une description définitive des

constituants de la matière et de leurs interactions, les physiciens des particules ont développé

toute une panoplie de particules hypothétiques, aux noms plus étranges les uns que les autres,

photinos, gluinos, sélectrons, sneutrinos et autres. Ces particules sont désignées collectivement

sous le nom de particules massives à faible interaction (WIMP en anglais).

Comme le neutrino, ces particules interagissent très faiblement avec la matière ordinaire. Elles

sont néanmoins soumises à la force gravitationnelle puisque c'est grâce à cela que l'on a

suspecté leur existence. Ces particules sont donc attirées par les galaxies et doivent former de

gigantesques halos autour d'elles. Notons néanmoins qu'aucune particule de ce type n'a jamais

été détectée et qu'il faut donc rester très prudent avant de tirer des conclusions définitives.

Détecter les neutrinos

Si les objets sombres de nature baryonique sont difficiles à observer, la tache est encore plus

ardue lorsqu'il s'agit de détecter le deuxième type possible de matière sombre, formé de

particules exotiques.

Le neutrino est une particule dépourvue de charge électrique et de masse très faible. La

probabilité de réaction entre un neutrino et une particule ordinaire est extrêmement petite. Le

seul moyen d'en capturer un est donc d'augmenter les chances de rencontre en construisant un

détecteur contenant une énorme quantité de particules ordinaires.

Ceci fut tenté pour la première fois en 1967 dans une mine d'or, à Homestake dans le Dakota

du Sud. Le détecteur consistait en une cuve contenant 400 000 litres d'une substance chlorée.

Même si l'immense majorité des neutrinos passait sans problème à travers la cuve, il arrivait

que l'un d'eux interagisse avec un noyau de chlore. Celui-ci se transformait alors en un noyau

d'argon qui à son tour se désintégrait rapidement. C'est le résultat de cette désintégration qui

pouvait être facilement détecté et révéler la capture d'un neutrino.

Le détecteur de l'observatoire de neutrinos de Sudbury au Canada pendant sa construction. Cet

observatoire est opérationnel depuis 1999 et a pour but de contribuer à notre compréhension des

propriétés fondamentales des neutrinos. Crédit : Ernest Orlando/LBNL/SNO

Depuis cette époque, d'autres détecteurs basés sur le même principe ont été construits. Ces

détecteurs sont tous placés dans des zones souterraines pour réduire au maximum

l'interférence des rayonnements cosmiques qui risquerait de fausser les résultats. On peut citer

en particulier l'expérience Gallex, réalisée dans le tunnel de Gran Sasso en Italie avec 30 tonnes

de gallium en solution, le détecteur Super Kamiokande à Kamioka au Japon avec 50 000 tonnes

d'eau, et l'observatoire de Sudbury au Canada avec 1000 tonnes d'eau lourde.

Les données de ces détecteurs ne révèlent hélas pas directement la masse des neutrinos et le

problème de leur contribution à la densité de l'Univers n'est donc toujours pas résolu. Les

expériences semblent quand même indiquer que la masse est trop faible pour que les neutrinos

aient un impact significatif sur cette densité.

Détecter les particules massives à faible interaction

Notons pour commencer que les particules massives à faible interaction (WIMP en anglais) sont

hypothétiques et n'ont jamais été observées de façon certaine à ce jour. Capturer ces particules

n'est pas une mince affaire mais plusieurs projets ont néanmoins vu le jour. On peut citer en

particulier le projet CDMS dans une mine de fer du Minnesota et l'expérience DAMA dans le

tunnel de Gran Sasso.

Ces projets s'appuient sur le fait que même si l'interaction de ces particules avec la matière

ordinaire est très faible, elle existe et il doit être possible de la mettre en évidence. En guise

d'exemple, le détecteur de l'expérience CDMS est constitué d'un gros cristal de germanium

refroidi à quelques millièmes de kelvin pour faire disparaître toute agitation thermique. A tout

instant, du fait du mouvement de la Terre par rapport au halo de matière non baryonique, une

multitude de particules massives à faible interaction traversent le détecteur. Il arrive, très

rarement, que l'une d'entre elles interagisse avec un noyau de germanium. Elle introduit alors

une quantité infime d'énergie dans le détecteur et y crée une très faible ionisation.

En mesurant en permanence la température et la charge électrique du cristal, il est

théoriquement possible d'observer le phénomène, donc de détecter les particules exotiques. Le

nombre de détections est évidemment très limité, en théorie de l'ordre d'une tous les 10 jours

pour un détecteur d'un kilogramme. Notons que les signaux parasites dus à d'autres particules

peuvent être détectés en analysant soigneusement la quantité d'énergie déposée et la charge

électrique créée.

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