La matière noire - depuis ses origines jusqu’à son freeze-out

in #steemstem3 years ago

Once in a while, it is time to write a post in French. And this moment came today. I will discuss about dark matter, why it is needed and what is the so-called freeze-out mechanism allowing us to explain cosmological data. The English version of this post can be found here.

Je vais donc discuter, comme indiqué en anglais ci-dessus, de la matière noire et du mécanisme de freeze-out nous permettant d’expliquer les observations cosmologiques actuelles. Désolé, mais je ne traduirai pas le mot freeze-out, notamment car je ne vois pas trop comment le faire ;)

Aujourd’hui, nous avons de nombreuses preuves indirectes que la matière noire existe et a envahi tout notre univers. Ceci dit, il faut garder à l’esprit que ces preuves sont indirectes et que des alternatives à la matière noire existent.


[image credits: Wikipedia]

La quantité actuelle de matière noire dans l’univers est ce que nous appelons la densité relique de matière noire.

Il s’agit ainsi, comme on peut le deviner, du reliquat de matière noire trouvant son origine dans toutes les processus ayant eu lieu dans les premiers instants de l’univers.

Parmi tous les mécanismes expliquant pourquoi la quantité de matière noire dans l’univers est ce qu’elle est aujourd’hui, l’un de ceux les plus étudiés est le freeze-out thermique.

Mais avant de discuter cela, effectuons un petit voyage historique illustrant comment l’hypothèse de matière noire a vu le jour et pourquoi elle est toujours en vogue aujourd’hui.


LES ORIGINES DE LA MATIERE NOIRE

D’habitude, les origines de la matière noire sont placées dans les années 1930, lorsque Fritz Zwicky a introduit l’idée de la matière noire afin d’expliquer le mouvement circulaire des galaxies. Cependant, Zwicky fut loin d’être le premier à utiliser ce mot.

A la fin du 19ème siècle, les physiciens étaient déjà en train d’essayer de comprendre pourquoi les étoiles n’étaient pas distribuées de façon égale dans l’univers, mais se trouvaient regroupées en galaxies. Lord Kelvin (un gars très chaud, comprenne qui pourra :p) fut le premier à indiquer qu’il y avait quelque chose qui clochait avec la distribution des vitesses du mouvement des étoiles. Apparemment, de la masse était manquante.

Un de piliers de la physique de cette époque, Henri Poincaré, n’était absolument pas d’accord avec les conclusions de Kelvin et introduit pour la première fois les mots ‘matière noire’.


LES COURBES DE ROTATION DES GALAXIES


[image credits: Wikipedia]

il a cependant fallu attendre les années 1930 pour obtenir une première définition exacte du concept de matière noire comme nous le connaissons aujourd’hui.

Zwicky l’a introduit alors qu’il essayait d’expliquer le mouvement des étoiles observé dans des galaxies lointaines.

A l’aide de la mécanique classique et des lois de Newton, on peut en effet partir de la matière visible dans l’univers et prédire le mouvement des étoiles.

Zwicky a alors calculé la vitesse des étoiles et étudié le comportement de cette vitesse en fonction de l’éloignement des étoiles du centre de la galaxie. Les prédictions de Zwicky sont données par la courbe en pointillés que nous pouvons voir dans la figure ci-dessus à droite. Les mesures correspondent aux points bleus et jaunes. Il est clair que quelque chose cloche…

Il y a principalement deux façons de restaurer l’accord entre théorie et expérience.

La première d’entre elles revient à supposer l’existence de masse invisible, la matière noire, qui a un effet sur le mouvement de la matière visible. Bien que cela semble extrêmement artificiel, nous avons depuis de nombreuses preuves supplémentaires concernant son existence. Elle est effectivement également motivée par le fonds diffus cosmologique, la formation des structures de l’univers, les lentilles gravitationnelles et bien d’autres.


[image credits: NASA]

Ces preuves sont bien entendu toutes indirectes, et cela permet à des alternatives à la matière noire d’être toujours bien vivantes aujourd’hui.

Par exemple, la deuxième façon de restaurer l’accord entre données et prédictions dans la figure ci-dessus se base sur l’idée de modifier la gravité à grandes distances.

Il n’y a rien de farfelu la dedans et cela marche relativement bien. Il est cependant bon d’indiquer que l’accord avec les données cosmologiques n’est pas aussi fort qu’avec l’hypothèse de matière noire.


LE FREEZE-OUT DE LA MATIERE NOIRE

Le mécanisme du freeze-out permet d’expliquer la quantité de matière noire dans l’univers aujourd’hui. L’histoire débute aux instants primordiaux de l’univers, et on peut observer l’évolution de la densité de matière noire sur la courbe ci-dessous. Bien que cette densité évolue avec le temps, elle finit par se stabiliser et on se trouve ainsi avec une densité relique de matière noire au temps présent.


[image credits: Inspire]

Aux tous premiers instants de l’univers, on suppose un équilibre thermique où la densité de n’importe quelle particule (matière noire incluse) est égale à la densité de photons. On se trouve donc tout à gauche sur la figure.

L’équilibre vient du fait que nous avons deux réactions qui se compensent exactement:

  • Tout d’abord, des paires de particules de matière noire sont créees lors de la diffusion de particules plus légères très énergétiques, ce qui est possible vu la très haute température de l’univers à ce moment.

  • Ensuite, des paires de particules de matière noire peuvent s’annihiler en des particules plus légères.

La densité de matière noire est donc constante, vu que les pertes de matière noire sont compensées par de la création de matière noire. Cela correspond à l’horizontalité de la courbe à gauche de la figure.

Cependant, le temps passe et l’univers refroidit lors de son expansion. Par conséquent, il existe un instant où les particules plus légères ne seront plus assez énergétiques pour créer de la matière noire (plus lourde).

A partir de ce moment, seule l’annihilation de matière noire a lieu et la densité de matière noire diminue. Cette diminution peut être observée au milieu de la figure.

Mais l’univers continue à s’étendre de sorte qu’il existe un instant où la matière noire sera trop diluée pour pouvoir s’annihiler. En gros, deux particules de matière noire ne peuvent plus se rencontrer et nos deux réactions ont cessé.

La densité de matière noire devient alors constante. C’est ce qu’on appelle la densité relique de matière noire. Relique comme ‘relique des premiers instants de l’univers’. Cela correspond à la partie tout à droite de la figure, représentée par la ligne en pointillés.

La position exacte de cette ligne pointillée est dérivée des données. On dit donc que la densité de matière noire a en quelque sorte gelé, d’où le nom freeze-out.


LA VERSION COURTE

Dans ce post, j’ai discuté l’un des principaux scénarios permettant d’expliquer la quantité de matière noire présente dans l’univers aujourd’hui: le scénario du freeze-out.

Bien sûr, cela revient tout d’abord à accepter l’hypothèse de la matière noire. Comme je l’ai indiqué, cela est favorisé par les données mais les alternatives existent et sont très viables.

Ensuite, notre histoire démarre juste après le big bang, où la matière noire est très abondante. Sa densité évolue en fonction de deux processus en compétition: la production de matière noire à partir de particules plus légères et l’annihilation de matière noire en particules plus légères.

Aux premiers instants de l’univers, ces deux processus se compensent et la densité de matière noire est constante. Il existe ensuite un moment où l’univers devient trop froid (en raison de son expansion) pour que la production de matière noire ait lieu. La densité de matière noire diminue alors vu que son annihilation continue. Il existe un autre instant où la matière noire devient trop diluée dans l’univers de sorte qu’elle ne peut plus s’annihiler. La densité de matière noire redevient alors constante. On parle du freeze-out et de la densité relique de matière noire.


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Sort:  

C'est tres agreable de lire des articles en Francais! Il faudrait que je me mette a traduire les miens aussi :-)!

Une question: pourquoi deux particules de matiere noire en se rencontrant se desintegreraient t'elles? Y aurait t'il de l'anti-matiere noire?

Une autre question: la desintegration produirait elle des photons sombres? Si c'est le cas, il y a cette hypothese que les photons sombres oscilleraient entre deux etats ordinaire et sombre. Dans ce cas la, dans le rapport photon / proton que l'on mesure (environ 109), une fraction des photons seraient due a la matiere noire.

On arrive alors a une surestimation de la dissymetries entre matiere et antimatiere. Suffisante pour que la violation de CP redeviennent un facteur predominant dans l'explication de cette dissymetrie?

Il y a effectivement un certain public pour les articles francophones :)

Une question: pourquoi deux particules de matiere noire en se rencontrant se desintegreraient t'elles? Y aurait t'il de l'anti-matiere noire?

La bonne reponse est: "ca depend du modele". Tu as des modeles ou la matiere noire est de Majorana (la particle est sa propre antiparticule) et d'autres pas. Dans les deux cas, les processus d'annihilation sont possibles.

Une autre question: la desintegration produirait elle des photons sombres? Si c'est le cas, il y a cette hypothese que les photons sombres oscilleraient entre deux etats ordinaire et sombre. Dans ce cas la, dans le rapport photon / proton que l'on mesure (environ 109), une fraction des photons seraient due a la matiere noire.

La reponse est la meme que ci-dessus: ca depend du modele. Si tu as un photon sombre dans la theorie et que les contributions des photons sombres sont importantes, ces derniers peuvent avoir un effet. Pour les oscillations, il faut faire les calculs. Ca donne des contraintes sur les modeles certainement. Mais je ne peux en dire plus. Tu seras peut-etre interesse par ceci ou ce type d'oscillation est utilisee pour expliquer des observations.

On arrive alors a une surestimation de la dissymetries entre matiere et antimatiere. Suffisante pour que la violation de CP redeviennent un facteur predominant dans l'explication de cette dissymetrie?

Si on rajoute en plus de la violation CP dans les scenarios, pourquoi pas. Mais ca depend a nouveau fortement du modele et faire les calculs (et verifier qu'on n'est pas exclu par d'autres observations).

Merci une fois de plus pour un article tres interessant.

Une question qui me vient a l'esprit est le fait que je croyais que plus une particule est lourde, le plus rapidement elle se desintegre (decay) en d'autres particules plus legeres.

Si cela est le cas, comment explique-t-on que la matiere noire serait tres commune dans l'univers?

Salut Irelandscape. Une autre facon de voir les choses consistent a considerer les lois de conservations:

plus une particule est lourde, le plus rapidement elle se desintegre (decay) en d'autres particules plus legeres

Tout a fait juste. Un Top quark decay en Charm puis fini en Up. Poutant le Up n'est pas la particule la plus legere... Pourquoi ne se transforme t'il pas en electron, bien plus leger?
Car cela violerait la conservation de trois nombres quantiques! Le nombre leptonique, baryonique et la charge.

On peut tres bien concevoir que la matiere noire est constituee d'un bestiaire de particules, et que l'on puisse la separer de la matiere ordinaire par un nombre quantique (Appellons le M, ou M=-1 pour la matiere noire et M=+1 pour la matiere ordinaire. Ce nombre doit bien exister? @lemouth?)

Comme les nombres quantiques standards, ce nombre devrait etre conserve. Dans cette hypothese, la plus legere des particules de matiere noire, meme si plus lourde que celles de matiere, ne pourrait se desintegrer...

Tout a fait juste. Un Top quark decay en Charm puis fini en Up. Poutant le Up n'est pas la particule la plus legere... Pourquoi ne se transforme t'il pas en electron, bien plus leger?

Je me permets de rebondir la dessus. En fait, le top quark se desintegre en bottom et en W dans quasi 100% des cas. Les desintegrations neutres comme celles que tu donnes en exemple sont hors de notre sensitivite experimentale, sauf s'il y a des phenomenes nouveaux. Puis comme le W est instable, ce dernier peut se desintegrer en electron et neutrino. Ainsi, un quark top peut se desintegrer leptoniquement en un electron, un neutrino et un quark b.

On peut tres bien concevoir que la matiere noire est constituee d'un bestiaire de particules, et que l'on puisse la separer de la matiere ordinaire par un nombre quantique (Appellons le M, ou M=-1 pour la matiere noire et M=+1 pour la matiere ordinaire. Ce nombre doit bien exister? @lemouth?)

Tu as totalement raison.

Dans beaucoup de modele de matiere noire, on impose une symetrie discrete (dont le nombre quantique vaut soit 1 soit -1). Les particules du Modele Standard valent toute +1 et la matiere noire vaut -1. Comme resultat, la matiere noire est stable car elle ne peut se deinstegrer sans violer de loi de conservation.

Super reponses! Merci a tous les deux!

Si la matiere noire consiste d'une nouvelle famille de particules, il est donc possible que cette famille se comporte de la meme maniere que la famille des particules 'normales' (connues), n'est-ce-pas?

Dans ce cas il serait possible qu'une particule de matiere noire lourde se desintegre en une autre particule de matiere noire plus legere, etc.

On pourrait parler plutot ici plutot de secteur cache (ou sombre) qui contiendrait toute une zoologie de particules. La matiere noire consiste alors en les particules sombres stables. Car la matiere noire doit etre stable (sinon elle se serait desintegre depuis longtemps et il n'y an aurait plus dans l'univers).

Cela depend si les desintegrations sont permises. La matiere noire est stable, de sorte que la seule facon pour elle de se "desintegrer" est via un processes d'annihilation ou deux particules de matiere noire se rencontrent et interagissent. Avec l'expansion de l'univers, ce phenomene est aujourd;hui extremement rare.

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They tried to teach me French here in Canada when I was a kid but my brain only understands math and science so I translated it over to English using Google translate. Good article.

The term 'freeze-out', do you mean 'phase change' by that term?

Do you know that there is a link to the English version of this post in the very first sentence (see here) :)

Freeze-out is used as such, even in English. It is because at some point, the density freezes. But strictly speaking, we have another mechanism that is the freeze-in.

I followed the link to the English version, and it was cool the read the post again.
You made mention of relic density of matter (maybe I skipped that part when I first read it some months ago). But I want ask; does the relic density of dark matter have anything to do with the big bang? I mean, were these created after the big bang?

Another question - is the relic density of dark matter quantifiable in some kind of units, and can they be measured?

Hope I'm not asking a stupid question?

Merci d'avoir partagé cela

But I want ask; does the relic density of dark matter have anything to do with the big bang? I mean, were these created after the big bang?

The dark matter assumption fits in the Standard Model of cosmology, which relies itself on the big bang. So in some way, it is connected to the big bang.

Another question - is the relic density of dark matter quantifiable in some kind of units, and can they be measured?

Usually, this quantity is given as the ratio of the energy density of dark matter to the critical energy density of the universe (which is 1 for a flat universe). This is the standard way to quote it.

Thanks a lot for the quick tutorial sir

My pleasure!

@Lemouth tu as discuté la notion des particules légères qui donnent de la matière noire,, quelle peut être la nature de ces particules?

Je voulais dire: n'importe quelle particule connue.

excellent post et pas mal la blague avec Lord Kelvin haha ^^

Hehe. Oui, une blague de temps en temps cela ne fait pas de mal ;)

Merci pour ce post très intéressant qui parle d'une partie du sujet de la matière noire que je n'avais encore jamais lu ou vu de la part de vulgarisateurs.

Avec plaisir! Je pense qu'il y a moyen de trouver des trucs sur le net, mais je n'ai jamais vraiment regarde pour etre honnete ;)

Très bon compte rendu sur le sujet de cette matière à l'origine de bien de choses dans notre univers ! Upvoté à 100% !

Merci les amis ^^

Encore un article très pointu et extrêmement intéressant. Très beau job. Bravo

Merci! Ravi de voir que tu es revenue :)

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