Les traces de la matière noire
Aujourd'hui, nombreuses sont les observations qui révèlent par le biais de la gravitation la présence d'une quantité importante de matière invisible.
- Courbes de rotation des galaxies : La distribution des vitesses observée au sein des galaxies indique une présence de masse significativement plus importante que celle estimée à partir des ondes électromagnétiques qu'elles émettent ("lumière"), et s'étendant aux-delà des bords visibles.
- Densité de matière froide de l'Univers : Les observations cosmologiques et la structure de l'Univers révèlent que parmi la matière "froide" (non relativiste) qui compose l'Univers, un peu moins de 20 % seulement est visible (étoiles, planètes, gaz interstellaire). Le reste est inexpliqué !
- Effet de lentille gravitationnelle : Des rayons lumineux passant près d'une masse importante sont déviés. Cet effet dit de "lentille gravitationnelle" permet donc de déceler la présence de matière même si celle-ci est invisible directement (voir image ci-contre).
- Matière froide et matière baryonique : Bien que nombreuses et complexes, les réactions nucléaires quit ont eu lieu alors que la température de l'Univers était de l'ordre de 0,1 MeV qui ont conduit à la formation des éléments légers (Deutérium, Hélium) peuvent être résolues numériquement. On trouve alors que pour être en accord avec les observations expérimentales, la densité de matière baryonique $\Omega_B$ doit être inférieure à $0,04$ ($\rho_{B} \sim 4 \times 10^{-27} \textrm{kg}.\textrm{m}^{-3}$) (C. Copi, D. Schramm et al. 1995) . Ceci ne représente que 4 $\%$ de la densité critique[?], en accord avec d'autres estimations obtenue à l'aide de la mesure des anisotropies du fond diffus cosmologique par exemple. Pourtant, la matière "froide" doit représenter environ 30$\%$ de la densité critique d'après de nombreuses mesures indépendantes.
Candidats pour la matière noire
Les théories proposées pour expliquer l'origine de la matière noire sont nombreuses. La liste suivante n'est pas exhaustive mais regroupe certaines des suggestions suscitant ou ayant suscité le plus d'attention, afin d'illustrer la variété des alternatives. De façon générale, les différents candidats se classent en plusieurs catégories, qui sont la matière noire chaude, tiède et froide. La matière noire chaude fait référence à des particules relativistes ($P/\rho \to 1/3$) et la matière froide à des particules non relativistes ($P\to 0$). Les neutrinos sont de bons candidats à la matière noire chaude, dont l'existence est déjà démontrée. Il est en effet difficile de connaître précisément leur abondance dans l'Univers. Cependant, la formation des structures et les paramètres cosmologiques décrivant le mieux l'évolution de l'Univers nécessitent une part importante de matière noire froide, et c'est sous cette forme que sont la plupart des candidats. Il existe également des candidats impliquant une modification de la gravitation, comme MOND ou les théories $f(R)$.
WIMPs
Il a été proposé que la matière noire soit principalement constituée de particules massives interagissant faiblement (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP). Ces particules auraient été formées à l'époque où l'Univers était suffisamment chaud. Un équilibre thermique entre annihilation de paire de WIMP et leur formation aurait imposé leur densité jusqu'à ce que celle-ci devienne trop faible pour que la réaction d'annihilation se produise : leur quantité demeure alors constante ("freeze-out"). Les WIMP sont attendues à l'échelle électrofaible ($\sim$ TeV), et pourraient donc être expliquées par des théories de type SUSY. Leur masse est en effet bornée par une limite supérieure : des particules très massives ($> 100$ TeV) seraient trop stables et présentes en trop large quantité aujourd'hui par rapport à celle de matière noire.
Cependant, si le freeze-out intervient hors-équilibre, cette contrainte sur la masse est levée. Il a donc été proposé que la matière noire soit en fait des WIMP très massifs appelés WIMPZILLAS.
La recherche de WIMP peut se faire de façon indirecte dans des accélérateurs (voir l'annexe sur ATLAS pour des explications détaillées), ou en observant le rayonnement cosmique (Fermi, AMS, ...). Elle peut aussi se faire de façon directe en mesurant la diffusion de matière noire par de la matière ordinaire, dans de gros réseaux cristallins à basse température en profondeur (exemple : LUX)
Axions
Bien que leur existence n'ait pas été initialement suggérée en réponse au problème de la matière noire, mais en réalité pour résoudre le problème CP fort, les axions seraient un bon candidat pour la matière noire. Ils seraient a priori très peu massifs ($m < $ eV) mais feraient intervenir un champ scalaire de pression nulle, et donc seraient équivalent à de la matière froide, là où les neutrinos ultrarelativistes ne sont que de bons candidats pour la matière noire chaude. Leur prédiction repose sur le fait que selon le modèle standard, le neutron possède un moment dipolaire électrique $d_n$ non nul, proportionnel à un paramètre sans dimension noté $\bar{\theta}$. La mesure de $d_n$ est obtenue en comparant la fréquence de précession de Larmor de neutrons plongés dans un des champs (E,B) parallèles ou de sens opposés. La valeur ainsi obtenue donne $\bar{\theta} < 10^{-10}$. Cette valeur étant très faible, Roberto Peccei et Helen Quinn ont suggéré en 1977 (R. D. Peccei, Helen R. Quinn 1977) qu'il puisse prendre son origine dans un champ scalaire (le champ d'axion) associé à une nouvelle symétrie $U(1)$. Le paramètre $\bar{\theta}$ serait proportionnel à la valeur moyenne de ce champ qui tendrait vers 0, et dont l'équation d'état serait celle d'un condensat de pression nulle, donc équivalent à de la matière noire froide. Le couplage des axions avec la matière entraîne des prédictions testables, notamment dans des processus stellaires (Georg G. Raffelt ) .
MACHOs
Les MACHOs ("Massive Astrophysical Compact Halo Object") sont des objets massifs compacts émettant très peu de rayonnement proposés pour expliquer la matière noire. Ils pourraient être des naines brunes, des trous noirs, ou des planètes interstellaires situés dans le Halo galactique. Leur dénomination est un clin d'oeil aux WIMPs (ou l'inverse), "wimp" signifiant mauviette en anglais. Leur recherche repose notamment sur l'effet de micro lentille gravitationnelle.
Trous noirs primordiaux
Les trous noirs primordiaux sont des trous noirs qui se seraient formés au début du Big-Bang et constituent un type spécifique de MACHO. Encore non observés, ils demeurent cependant un éventuel candidat pour la matière noire. Un mécanisme de formation possible est l'effondrement de fluctuations de densité de l'ordre de la distance d'Horizon à l'époque de formation, antérieure à la nucléosynthèse primordiale. Une autre est la fusion et l'effondrement de "bulles de vide" formées lors d'une transition de premier ordre d'un champ d'un équilibre métastable (un "faux-vide" avec une énergie moyenne $> 0$) et le "vrai-vide" (état stable d'énergie nulle). Le processus de formation détermine la distribution de leur masse attendue notée $M_{PBH}$, qui peut s'étaler sur un très grand spectre a priori. Des trous noirs primordiaux de masse $M_{PBH}$ inférieure à $\sim 10^{-16} M_{\odot}$ se seraient déjà évaporés, un intervalle de plusieurs dizaines d'ordre de grandeurs au-dessus de ce seuil est encore permis. En raison de l'importance de cet intervalle des techniques très différentes sont employées pour en contraindre des régions particulières. L'état de la recherche sur le sujet est représenté par la figure suivante :
Gravité $f(R)$
La Relativité Générale est contenue dans l'action d'Hilbert-Einstein de forme : \begin{equation} S = \int \dfrac{c^4}{16\pi G} f(R) \sqrt{-g} d^4x \end{equation} Les équations du mouvements (équation d'Einstein) s'obtiennent alors par application du principe de moindre action, avec $f(R) = R$. L'idée des théories $f(R)$ est d'utiliser une fonction différente pour $f$, par exemple $f(R) = R-\alpha R^2$. Ces modifications pourraient avoir un effet semblable à la présence de matière noire en relativité générale (C BOHMER, T HARKO et al. 2008) , (Jose A. R. Cembranos 2009) . Bien que de nombreuses motivations théoriques existent, ces modèles ne peuvent expliquer de fraction significative de la matière noire sans introduire d'effets incompatibles avec les observations. Ces modèles ont beaucoup de mal à se conformer aux observations des anisotropies du rayonnement fossile par exemple.
MOND (MOdified Newtonian Dynamics)
Une des observations à l'origine du problème de la "matière noire" est celle de la courbe de rotation des galaxies et notamment les travaux Vera Rubin à la fin des années 1970. Ces courbes indiquent une vitesse "trop rapide" à distance du centre des galaxies, avec une courbe de vitesse en "plateau" alors qu'elles devraient diminuer comme $1/\sqrt{r}$ loin du centre. ($v \sim \sqrt{\dfrac{GM}{r}}$ loin des zones de forte densité). En 1983, Mordehai Milgrom montre qu'une modification du principe fondamental de la dynamique ($F=ma$) permettrait de résoudre ce problème (M. Milgrom 1983) . Il suggère de la réécrire comme : \begin{equation} \vec{F} = \mu(a/a_0) m\vec{a} \end{equation} Où $a_0$ est une nouvelle constante qui doit être ajustée aux données et $\mu$ une fonction proche de 1 lorsque $a/a_0 \gg 1$ et proche de l'identité lorsque $a/a_0 \ll 1$. Dans ce cas, elle se réécrit alors : \begin{equation} \vec{F} \simeq a/a_0 m\vec{a} \end{equation} La vitesse à large distance du centre galactique d'une masse test $m$ est alors donnée par : \begin{equation} \dfrac{GMm}{r^2} \simeq \mu(v^2/r/a_0) m\dfrac{v^2}{r} \end{equation} En effet, $a = v^2/r$ pour un mouvement circulaire uniformément accéléré. Dans le cas où cette accélération est faible (loin du centre) on trouve : \begin{equation} v \simeq (a_0 GM)^{1/4} \end{equation} Ceci ne dépend pas de $r$ et expliquerait le plateau observé par Vera Rubin sur le tracé de $r\mapsto v(r)$. Un bon accord avec les courbes de rotation est trouvé pour $a_0 \sim 10^{-10} \textrm{ cm.s}^{-2}$. Cette valeur est intriguante car du même ordre de grandeur que $cH_0$. MOND est parfois formulé en terme de modification de la gravité, avec une décroissance en $1/r$ plutôt que $1/r^2$ à large distance. La théorie MOND a évolué et des versions relativistes existent (Mordehai Milgrom 2015) dont TeVeS, proposée par Bekenstein (Jacob D. Bekenstein 2004) . Des observations récentes portées sur 153 galaxies semblent encourager cette hypothèse plutôt que celle d'une masse manquante ("Radial acceleration relation in rotationally supported galaxies"). MOND est en revanche très peu attrayante d'un point de vue théorique et échoue à l'échelle des clusters de galaxie.
