Matière sombre et Neutralino

La matière sombre

L'identification de la nature de la matière noire est l'une des questions majeures de la physique contemporaine. Un ensemble d'observations astrophysiques convergentes (mesures des anisotropies du fond de rayonnement cosmique, études de luminosité des supernovae lointaines, études de la distribution de matière dans les amas de galaxies, ...) permet de conclure que la matière ne contribue que pour un tiers à la densité de l'univers (Ω_M ~ 0.3) :

• Les protons et les neutrons, qui constituent les noyaux des atomes (matière baryonique, capable d'émettre ou d'absorber le rayonnement), ne représentent eux-mêmes qu'une petite fraction de ce tiers de matière (Ω_B ~ 0.04).
• La plus grande part de la matière dont est fait l'univers est donc invisible, non baryonique, et de nature inconnue ! Dans notre propre Galaxie, au voisinage du Soleil, cette densité de 'Matière Noire' est voisine de 0.3 GeV/cm³ et la recherche d'une possible contribution de nature baryonique sous forme d'objets compacts, massifs et invisibles (expérience EROS).

En astrophysique, les WIMPs (acronyme anglais pour « particules massives interagissant faiblement » — wimp signifie aussi « mauviette » dans cette langue) sont des particules hypothétiques constituant une solution au problème de la matière noire.

Ces particules interagissent très faiblement avec la matière ordinaire (nucléons, électrons), leur section efficace d'interaction est de l'ordre du picobarn. C'est cette très faible interaction, associée à une masse importante (de l'ordre de celle d'un noyau atomique), qui en font un candidat crédible pour la matière noire.

Cette Matière Noire non baryonique pourrait être constituée d'un nouveau type de particule élémentaire, massive et interagissant faiblement, génériquement appelée WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Reliques thermiques du Big Bang durant lequel elles auraient été créées, piégées dans le champ de gravitation des galaxies, ces WIMPs ont naturellement une densité de l'ordre de Ω_M. Or les théories supersymétriques, qui permettent d'unifier les quatre interactions fondamentales, prédisent justement l'existence de nouvelles particules élémentaires, massives et interagissant extrêmement faiblement avec la matière. La plus légère de ces particules, le neutralino, pourrait être stable et apparaît comme l'un des candidats WIMP les plus sérieux.

Les neutralinos sont des «particules exotiques» de charge électrique neutre dont la masse serait de quelques centaines de giga-électronvolts, c’est-à-dire entre 100 et 500 fois la masse d’un proton. Ces particules nous traversent continuellement sans qu’on s’en rende compte et traversent même la Terre de part en part sans dévier de leur trajectoire.

«Les neutralinos ont été formés lors du bigbang et ont produit des “nuages” qui ont donné naissance aux galaxies, explique Victor Zacek, directeur du projet PICASSO. L’hypothèse actuelle veut que les galaxies soient entourées d’une immense bulle de neutralinos qu’on ne voit pas mais dont on peut détecter la présence par leur interaction gravitationnelle.»

En physique des particules, le neutralino est une particule hypothétique, prédite par supersymétrie. Il est représenté par le symbole , avec i un nombre entre 1 et 4.

Le neutralino est une combinaison de trois superpartenaires : le photino (partenaire supersymétrique du photon), le zino (partenaire du boson Z⁰) et le higgsino (partenaire du boson de Higgs). En effet, lors de la brisure de la supersymétrie qui donne la masse aux partenaires supersymétriques de particules connues, les superpartenaires des bosons de jauges standard se mélangent et ne sont donc pas états propres de masses.

Les mesures récentes au CERN indiquent que sa masse est supérieure à 46 GeV/c^2 1.

Le neutralino est, en théorie, stable car il est la particule supersymétrique la plus légère, et donc très abondant au point de représenter l'essentiel de la matière de l'Univers. Il fait à ce titre l'objet de nombreuses recherches. La détection de neutralinos peut être directe par interaction dans un détecteur (recherche menée notamment en France par la collaboration EDELWEISS), ou indirecte, via la recherche des produits d'annihilation (photon, neutrino, positrons, antiprotons), Ces recherches sont menées grâce aux observations des télescopes terrestres (HESS, ANTARES, IceCube) ou embarqués sur satellites (FERMI-GLAST,PAMELA).


Les MACHOs sont des objets hypothétiques compacts et sombres pouvant errer dans le halo galactique. Le nom est l'acronyme de Massive Astronomical Compact Halo Object.
Ils constituent une possible solution au problème de la matière noire galactique. Deux expériences majeures, MACHO (États-Unis d’Amérique) et EROS (France), ont recherché à partir de 1990 ce type d'objet en observant des millions d'étoiles appartenant à deux galaxies naines satellites de la Voie lactée, les nuages de Magellan, et en utilisant l'outil des microlentilles gravitationnelles.
Les résultats obtenus sont contradictoires : les premiers estiment avoir observé un signal positif à hauteur de 16 % en masse du halo galactique pour des objets d'environ 0,4 masse solaire, à l'inverse les seconds rejettent l'hypothèse d'existence de MACHOs dans une gamme de masse entre 10^-7 (masse de la Lune) à 30 masses solaires. D'autres expériences sont en cours : SuperMACHO, Point-Agape, MEGA et WeCapp.

Chaque seconde 1 Millard de neutralino nous traverse le corps sans laisser la moindre trace.

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