Les physiciens essayant de comprendre la structure fondamentale de la nature s'appuient sur des cadres théoriques cohérents qui peuvent expliquer ce que nous voyons et faire simultanément des prédictions que nous pouvons tester. A la plus petite échelle des particules élémentaires, le modèle standard de la physique des particules fournit la base de notre compréhension.

A l'échelle du cosmos, une grande partie de notre compréhension est basée sur le "modèle standard de la cosmologie". Informé par la théorie de la relativité générale d'Einstein, il postule que la majeure partie de la masse et de l'énergie de l'univers est constituée de mystérieux, des substances invisibles appelées matière noire (constituant 80 % de la matière de l'univers) et de l'énergie noire.

Au cours des dernières décennies, ce modèle a remarquablement réussi à expliquer un large éventail d'observations de notre univers. Pourtant, nous ne savons toujours pas ce qui compose la matière noire – nous savons seulement qu'elle existe en raison de l'attraction gravitationnelle qu'elle exerce sur les amas de galaxies et d'autres structures. Un certain nombre de particules ont été proposées comme candidats, mais nous ne pouvons pas dire avec certitude quelle ou plusieurs particules composent la matière noire.

Maintenant, notre nouvelle étude – qui laisse entendre que des particules extrêmement légères appelées neutrinos sont susceptibles de constituer une partie de la matière noire – remet en question notre compréhension actuelle de sa composition.

Chaud contre froid

Le modèle standard soutient que la matière noire est "froide". Cela signifie qu'il se compose de particules relativement lourdes qui avaient initialement des mouvements lents. En conséquence, il est très facile pour des particules voisines de s'assembler pour former des objets liés par la gravité. Le modèle prédit donc que l'univers devrait être rempli de petits « halos » de matière noire, dont certains fusionneront et formeront des systèmes de plus en plus massifs – rendant le cosmos « grumeleux ».

Cependant, il n'est pas impossible qu'au moins une partie de la matière noire soit "chaude". Cela comprendrait des particules relativement légères qui ont des vitesses assez élevées, ce qui signifie que les particules pourraient facilement s'échapper des régions denses telles que les galaxies. Cela ralentirait l'accumulation de matière nouvelle et conduirait à un univers où la formation de structure est supprimée (moins grumeleuse).

Neutrinos, qui virevoltent à des vitesses extrêmement élevées, sont de bons candidats pour la matière noire chaude. En particulier, ils n'émettent ni n'absorbent la lumière, ce qui les fait paraître "sombres". On a longtemps supposé que les neutrinos, qui se déclinent en trois espèces différentes, n'ont pas de masse. Mais des expériences ont démontré qu'elles peuvent changer (osciller) d'une espèce à l'autre. Surtout, les scientifiques ont montré que ce changement les oblige à avoir une masse, ce qui en fait un candidat légitime pour la matière noire chaude.

Au cours des dernières décennies, cependant, les expériences de physique des particules et divers arguments astrophysiques ont exclu que les neutrinos constituent la majeure partie de la matière noire de l'univers. Quoi de plus, le modèle standard suppose que les neutrinos (et la matière noire chaude en général) ont une masse si faible que leur contribution à la matière noire peut être complètement ignorée (dans la plupart des cas supposée être de 0 %). Et, Jusqu'à très récemment, ce modèle a assez bien reproduit une grande variété d'observations cosmologiques.

Changement d'image

Au cours des dernières années, la quantité et la qualité des observations cosmologiques ont énormément augmenté. L'un des exemples les plus marquants de cela a été l'émergence des "observations de lentilles gravitationnelles". La relativité générale nous dit que la matière courbe l'espace-temps afin que la lumière des galaxies lointaines puisse être déviée par des objets massifs qui se trouvent entre nous et les galaxies. Les astronomes peuvent mesurer une telle déviation pour estimer la croissance de la structure (la « rugosité ») dans l'univers au cours du temps cosmique.

Ces nouveaux ensembles de données ont offert aux cosmologistes un certain nombre de façons de tester en détail les prédictions du modèle standard. Une image qui commence à émerger de ces comparaisons est que la répartition des masses dans l'univers semble être moins grumeleuse qu'elle ne devrait l'être si la matière noire est entièrement froide.

Cependant, faire des comparaisons entre le modèle standard et les nouveaux ensembles de données peut ne pas être aussi simple que prévu. En particulier, les chercheurs ont montré que l'apparente rugosité de l'univers n'est pas seulement affectée par la matière noire, mais aussi par des processus complexes qui affectent la matière normale (protons et neutrons). Les comparaisons précédentes supposaient que la matière normale, qui "sent" à la fois les forces de gravité et de pression, est distribué comme la matière noire, qui ne ressent que la gravité.

Maintenant, notre nouvelle étude a produit la plus grande suite de simulations informatiques cosmologiques de la matière normale et noire à ce jour (appelée BAHAMAS). Nous avons également fait des comparaisons minutieuses avec un large éventail d'observations récentes. Nous concluons que l'écart entre les nouveaux ensembles de données d'observation et le modèle standard de matière noire froide est encore plus important qu'on ne le prétendait auparavant.

Nous avons examiné en détail les effets des neutrinos et de leurs mouvements. Comme prévu, lorsque les neutrinos ont été inclus dans le modèle, la formation de la structure dans le cosmos a été lavée, rendre l'univers moins grumeleux. Nos résultats suggèrent que les neutrinos représentent entre 3% et 5% de la masse totale de matière noire. Cela est suffisant pour reproduire de manière cohérente une grande variété d'observations, y compris les nouvelles mesures de lentilles gravitationnelles. Si une plus grande fraction de la matière noire est "chaude", la croissance de la structure dans l'univers est trop supprimée.

La recherche peut également nous aider à résoudre le mystère de la masse d'un neutrino individuel. A partir de diverses expériences, les physiciens des particules ont calculé que la somme des trois espèces de neutrinos devrait être d'au moins 0,06 électron-volt (une unité d'énergie, semblable à des joules). Vous pouvez convertir cela en une estimation de la contribution totale des neutrinos à la matière noire, et cela équivaut à 0,5%. Étant donné que nous avons trouvé qu'il est en fait six à dix fois plus grand que cela, nous pouvons en déduire que la masse du neutrino devrait plutôt être d'environ 0,3-0,5 eV.

Ceci est incroyablement proche des valeurs qui peuvent réellement être mesurées par les prochaines expériences de physique des particules. Si ces mesures corroborent les masses trouvées dans nos simulations, ce serait très rassurant – nous donnant une image cohérente du rôle des neutrinos en tant que matière noire des plus grandes échelles cosmologiques au plus petit domaine de la physique des particules.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.