A la recherche de la matière noire cachée dans le soleil

This post is French adaptation of one of my numerous writings on dark matter. For the English version, please see here.

De nombreuses expériences sur Terre analysent, à l’aide de télescopes appropriés, le flux de neutrinos venant de l’espace. Il se trouve cependant que les mêmes dispositifs, se focalisant donc sur la physique des neutrinos, peut être utilisé pour les études de matière noire, comme indiqué dans cet article récent.

L’idée clé est que des phénomènes liés à la matière noire peuvent se produire à l’intérieur du soleil.

Et comme le soleil n’est pas très loin, cela peut être observé et utilisé pour contraindre ou tenter de découvrir la matière noire.

Et bien sûr, cela a un lien avec les neutrinos ;)

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LA MATIERE NOIRE EN DEUX MOTS ET DEMI

L’identification de la nature de la matière noire est l’une des questions actuelles les plus chaudes en physique des particules et cosmologie. Il y a de nombreuses motivations derrière la présence de la matière noire, et les données de nombreuses expériences en cosmologie et astrophysique sont unanimes.

La matière noire fut introduite initialement pour expliquer les courbes de rotation des galaxies. Cela se base sur la façon dont les étoiles orbitent dans les galaxies, et sur la mécanique newtonienne et ses prédictions.

Données et théories sont en désaccord, sauf si on introduit à la main de la masse invisible. Cette masse est aujourd’hui connue comme ce qui est la matière noire et le nom vient de là.

En effet, cette matière noire interagit gravitationnellement, comme la matière ordinaire (et il s’agit donc de ‘matière’), et est invisible de sorte qu’elle n’interagit pas électromagnétiquement. Le mot ‘noir’ est en fait opposé à lumineux (ou visible), et vu que la lumière et l’électromagnétisme ne font qu’un, le reste coule de source…

À côté de cela, la matière noire permet d’expliquer avec succès la formation des grandes structures dans l’univers, les lentilles gravitationnelles, le fonds diffus cosmologique, et même plus. C’est pour cela que la matière noire est prise très au sérieux pour les physiciens aujourd’hui.

Bien sûr, des alternatives existent et sont viables, vu qu’il n’y a pour le moment aucune observation directe de la matière noire. Même si ces alternatives n’expliquent pas de façon aussi satisfaisante la cosmologie que la matière noire, il faut rester ouvert à toutes les options…

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DETECTION DIRECTE ET INDIRECTE DE MATIERE NOIRE

Il existe de nombreuses expériences un peu partout sur Terre visant à observer la matière noire à travers ses interactions avec les protons et les neutrons, les constituants de toute la matière sur notre planète.

Ce que l’on mesure consiste en le recul d’un noyau atomique lorsqu’une particule de matière noire venant du cosmos le frappe. Comme illustré sur la figure à gauche.

Ce type d’événements est très rare, car la matière noire n’interagit que très faiblement avec la matière usuelle (sinon elle ne serait pas noire!).

Cependant, si le détecteur est suffisamment grand et que l’on enregistre les données pendant suffisamment longtemps, on peut détecter un nombre raisonnable de ces événements.

Une autre façon de détecter la matière noire concerne l’étude des flux de particules produites par l’annihilation de deux particules de matière noire, ailleurs dans l’univers. Ces flux font partie de ce qui est communément appelés rayons cosmiques, et nous pouvons les détecter sur Terre.

En sondant les propriétés des rayons cosmiques (qui ne proviennent pas nécessairement de la matière noire), on peut extraire la composante ‘matière noire’ des cosmiques et dériver aux propriétés de la matière noire originelles.

Le point important est que les deux classes d’expérience visant à détecter la matière noire sur Terre se basent sur une propriété unique: la matière noire interagit (même si c’est très faiblement) avec les particules du modèle standard.

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LES INTERACTIONS DE LA MATIERE NOIRE DANS LE SOLEIL

Comme dit ci-dessus, les expériences de détection directe de matière noire se basent sur le fait que la matière noire interagit avec les noyaux atomiques. Ce même mécanisme implique que de temps en temps, des particules de matière noire peuvent être capturées par le soleil.

Lorsque la quantité de particules de matière noire capturée est suffisante, deux d’entre elles ont alors une probabilité importante de s’annihiler et de produire des rayons cosmiques.

C’est exactement pareil que pour la détection indirecte de matière noire et ceci est illustré dans la figure à droite.

Comme le soleil est un objet plutôt dense et plein de matière, seuls les neutrinos produits par la matière noire dans le soleil ont la chance de pouvoir s’échapper (car ils n’interagissent quasiment pas avec la matière constituant le soleil).

Toute autre particule interagirait en effet très rapidement avec d’autres particules du soleil, et l’information utile sur la matière noire serait perdue.

Par contre, les neutrinos et leur faible probabilité d’interaction peuvent s’échapper comme si de rien n’était du soleil.

Et sur terre, nous avons des expériences dédiées aux neutrinos.

Ainsi l’étude des neutrinos solaires de leurs propriétés nous permettra de contraindre la matière noire, ou mieux de la découvrir indirectement, dans le futur.

L’étude des effets (les neutrinos) permettent toujours de remonter aux causes (la matière noire).

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RESUME ET REFERENCES

La matière noire est motivée par de nombreux résultats expérimentaux. Par conséquent, les physiciens sont ardemment à sa recherche. Il existe deux classes d’expériences dédiées, celle liées à la détection directe et celles liées à la détection indirecte de matière noire.

• Dans le premier cas, l’on mesure le recul des noyaux atomiques formant le détecteur pour reconstruire les cas où ces reculs proviennent d’une particule de matière noire qui aurait frappé les noyaux.

• Dans le second cas, on étudie les rayons cosmiques, sachant qu’une certaine proportion de ces derniers peut avoir pour origine l’annihilation de deux particules de matière noire.

Ces deux types de phénomènes impliquent que la matière noire peut être aussi capturée par le soleil, et s’annihiler en son sein. Un signe de ce process consiste alors en les flux de neutrinos venant du soleil. L’idée est alors de les étudier sur Terre pour découvrir les traces de la matière noire.

Pour plus d’informations, ne pas hésiter à jeter un oeil à cet article scientifique ou bien sur mon blog sur lequel j'ai déjà beaucoup couvert matière noire et neutrinos.

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