Le modèle standard de la cosmologie nous dit que seulement 4,9% de l'Univers est composé de matière ordinaire (c'est-à-dire ce que nous pouvons voir), tandis que le reste se compose de 26,8% de matière noire et 68,3% d'énergie sombre. Comme les noms le suggèrent, nous ne pouvons pas les voir, leur existence a donc dû être déduite à partir de modèles théoriques, d'observations de la structure à grande échelle de l'Univers et de ses effets gravitationnels apparents sur la matière visible.
Depuis sa première proposition, il n'y a pas eu de pénurie de suggestions quant à l'apparence des particules de matière noire. Il n'y a pas longtemps, de nombreux scientifiques ont proposé que la matière noire se compose de particules massives à interaction faible (WIMP), qui représentent environ 100 fois la masse d'un proton mais interagissent comme des neutrinos. Cependant, toutes les tentatives pour trouver des WIMP à l'aide d'expériences de collisionneurs sont vides. En tant que tel, les scientifiques ont récemment exploré l'idée que la matière noire peut être entièrement composée d'autre chose.
Les modèles cosmologiques actuels ont tendance à supposer que la masse de matière noire est d'environ 100 Gev (Giga-électrovolts), ce qui correspond à l'échelle de masse de beaucoup d'autres particules qui interagissent via une force nucléaire faible. L'existence d'une telle particule serait compatible avec les extensions supersymétriques du modèle standard de physique des particules. On pense en outre que de telles particules auraient été produites dans l'Univers chaud, dense et ancien, avec une densité de masse de matière qui est restée cohérente à ce jour.
Cependant, les efforts expérimentaux en cours pour détecter les WIMP n'ont pas réussi à produire des preuves concrètes de ces particules. Ceux-ci ont notamment consisté à rechercher les produits de l'annihilation WIMP (c'est-à-dire les rayons gamma, les neutrinos et les rayons cosmiques) dans les galaxies et les amas voisins, ainsi que des expériences de détection directe utilisant des supercolliders, comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN en Suisse.
Pour cette raison, de nombreuses équipes de chercheurs ont commencé à envisager d'aller au-delà du paradigme WIMPs pour trouver Dark Matter. L'une de ces équipes est composée d'un groupe de cosmologistes du CERN et de CP3-Origins au Danemark, qui a récemment publié une étude indiquant que la matière noire pouvait être beaucoup plus lourde et interagir beaucoup moins qu'on ne le pensait.
Comme le Dr McCullen Sandora, l'un des membres de l'équipe de recherche de CP-3 Origins, l'a déclaré à Space Magazine par courrier électronique:
«Nous ne pouvons pas encore exclure le scénario WIMP, mais chaque année qui passe, il devient de plus en plus suspect que nous n’avons rien vu. De plus, la physique à faible échelle habituelle souffre du problème de hiérarchie. C'est pourquoi toutes les particules que nous connaissons sont si légères, en particulier par rapport à l'échelle de gravité naturelle, l'échelle de Planck, qui est d'environ 1019 GeV. Donc, si la matière noire était plus proche de l'échelle de Planck, elle ne serait pas affectée par le problème de hiérarchie, et cela expliquerait également pourquoi nous n'avons pas vu les signatures associées aux WIMP. »
À l'aide d'un nouveau modèle appelé Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), l'équipe a exploré la limite supérieure de la masse de matière noire. Alors que les WIMP placent la masse de matière noire à la limite supérieure de l'échelle électrofaible, l'équipe de recherche danoise de Marthias Garny, McCullen Sandora et Martin S. Sloth a proposé une particule avec une masse proche d'une autre échelle naturelle entièrement - l'échelle de Planck.
Sur l'échelle de Planck, une seule unité de masse équivaut à 2,17645 × 10-8 kg - environ un microgramme, ou 1019 fois supérieure à la masse d'un proton. À cette masse, chaque PIDM est essentiellement aussi lourd qu'une particule peut l'être avant de devenir un trou noir miniature. L'équipe théorise également que ces particules PIDM n'interagissent avec la matière ordinaire que par gravitation et qu'un grand nombre d'entre elles se sont formées dans l'Univers très précoce au cours de l'époque du «réchauffement» - une période qui s'est produite à la fin de l'Inflation, à une dizaine-36 t0 10-33 ou 10-32 quelques secondes après le Big Bang.
Cette époque est ainsi nommée car, pendant l'inflation, les températures cosmiques auraient chuté d'un facteur de 100 000 environ. À la fin de l'inflation, les températures sont revenues à leur température pré-inflationniste (environ 1027 K). À ce stade, la grande énergie potentielle du champ d'inflation s'est désintégrée en particules du modèle standard qui ont rempli l'univers, ce qui aurait inclus la matière noire.
Naturellement, cette nouvelle théorie a son lot d'implications pour les cosmologistes. Par exemple, pour que ce modèle fonctionne, la température de l'époque de réchauffage aurait dû être plus élevée que ce qui est actuellement supposé. De plus, une période de réchauffage plus chaude entraînerait également la création d'ondes gravitationnelles plus primordiales, qui seraient visibles dans le fond des micro-ondes cosmiques (CMB).
«Une température aussi élevée nous dit deux choses intéressantes sur l'inflation», explique Sandora. "Si la matière noire se révèle être un PIDM: la première est que l'inflation s'est produite à une énergie très élevée, ce qui signifie qu'elle a pu produire non seulement des fluctuations de la température de l'univers primitif, mais aussi de l'espace-temps lui-même, sous forme d'ondes gravitationnelles. Deuxièmement, cela nous dit que l'énergie de l'inflation a dû se désintégrer dans la matière extrêmement rapidement, car si cela avait pris trop de temps, l'univers se serait refroidi au point où il n'aurait pu produire aucun PIDM. »
L'existence de ces ondes gravitationnelles pourrait être confirmée ou exclue par de futures études impliquant Cosmic Microwave Background (CMB). C'est une nouvelle passionnante, car la récente découverte d'ondes gravitationnelles devrait conduire à de nouvelles tentatives de détection des ondes primordiales qui remontent à la création même de l'Univers.
Comme Sandora l'a expliqué, cela présente un scénario gagnant-gagnant pour les scientifiques, car cela signifie que ce dernier candidat pour Dark Matter pourra être prouvé ou réfuté dans un avenir proche.
«[Notre] scénario fait une prédiction concrète: nous verrons des ondes gravitationnelles dans la prochaine génération d'expériences de fond micro-ondes cosmiques. Par conséquent, c'est un scénario sans perte: si nous les voyons, c'est super, et si nous ne les voyons pas, nous saurons que la matière noire n'est pas un PIDM, ce qui signifie que nous savons qu'elle doit avoir des interactions supplémentaires avec la matière ordinaire. Et tout cela se produira au cours de la prochaine décennie, ce qui nous donne beaucoup à attendre. »
Depuis que Jacobus Kapteyn a proposé pour la première fois l'existence de la matière noire en 1922, les scientifiques ont cherché des preuves directes de son existence. Et une à une, des particules candidates - allant des gravitinos et des MACHOS aux axions - ont été proposées, pesées et trouvées manquantes. À tout le moins, il est bon de savoir que l’existence de cette dernière particule candidate peut être prouvée ou exclue dans un proche avenir.
Et s'il s'avère que nous avons raison, nous aurons résolu l'un des plus grands mystères cosmologiques de tous les temps! Un pas de plus pour vraiment comprendre l'Univers et comment ses forces mystérieuses interagissent. Théorie de tout, nous voici (ou pas)!
