Mise à jour le 22 Décembre 2017
CONFÉRENCE DE Marco CIRELLI
Du LPTHE : Laboratoire de Physique Théorique et des Hautes Énergies
«
À LA RECHERCHE DE LA MATIÈRE NOIRE
»
Organisée par la SAF
Dans ses locaux, 3 rue Beethoven, Paris XVI
Le Samedi 16 Décembre 2017 à 15H00
à l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie.
Photos : JPM pour l'ambiance. (Les photos avec plus de résolution peuvent
m'être demandées
directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des
autres photos si nécessaire
(Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation complète (en
pdf) elle est disponible sur le site de la
commission et également disponible
sur ma liaison ftp au
téléchargement et s’appelle:
Cirelli.MatiereNoire.SAF_Dec2017.pdf elle est
dans le dossier COSMOLOGIE SAF de la saison 2017-2018).
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent
me contacter avant.
Pour info les actualités cosmo présentées ce jour là sont aussi disponibles sur
le site de la
commission.
BREF COMPTE RENDU
Marco Cirelli est un chercheur CNRS
du LPTHE et de l’Université P et M Curie, spécialisé en physique théorique des
particules et en particulier sur la matière noire.
Il a passé trois ans au CERN (LHC), et avant cela un post-doc à Yale et à
Saclay.
Bref, il doit connaître son sujet !!!
Il est aussi natif de la belle Italie (Milan) et domine parfaitement notre
langue.
Marco Cirelli se propose de
faire le point sur les
pistes de recherche actuelles concernant la matière noire.
Sa présentation en pdf est vraiment superbement faite et très instructive, je
vous conseille de la consulter.
Elle est tellement claire que mon CR sera bref.
La matière noire est cette matière qui semble essentielle aux structures de
l’Univers mais dont la composition n’est pas encore définie, on se demande même
si son existence est réellement prouvée.
Partons à sa recherche !
Tout commence avec l’amas du boulet !
Voici une photo composite de plusieurs longueurs d’onde de l’amas du boulet (bullet
cluster en anglais Abell 1E0657-558 son nom officiel).
Il
a été mis au jour par Chandra (télescope spatial en X) en 1995.
Après analyse on s’aperçut que c’était un double amas en interaction, l’un
traversant l’autre.
Gaz chaud en rose/rouge (H et He émettent enrayons X).
En bleu (la plus grande partie de la masse de l’amas) on représente la
distribution de masse de ce qui serait la
matière noire,
vue par effet de
lentille gravitationnelle faible (weak lensing) crée par cet amas
Au centre en blanc et orange : image de la galaxie en visible (optical pour les
anglo-saxons).
Crédit : X-ray: NASA/CXC/CfA/Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/.
Optical: NASA/STScI.
On remarquera que lors de l’interaction des amas, les galaxies et la matière
noire se sont pénétrées et traversées
sans interaction.
Par contre le gaz chaud (matière baryonique) émettant en X, a subi un choc avec
la rencontre il a été freiné et est resté en arrière.
Comme le dit un communiqué de l’Observatoire de Paris si joliment : « La
gigantesque collision a « décoiffé » les deux amas de leur halo de gaz
provoquant une onde de choc visible dans la pointe de la petite tache rouge.
Cette onde de choc a fortement comprimé et donc échauffé les gaz de l'amas au
point d'atteindre 100 millions de degrés. On y distingue comme un boulet suivi
de sa trainée de gaz. »
Illustration : schéma explicatif de l’interaction de l’amas du Boulet.
Crédit : D. Harvey et al. 2015
Il y a beaucoup
d’autres exemples de telles collisions où la matière noire est mise en
évidence.
Une vidéo explicative de cette interpénétration des amas du Boulet :
Le gaz chaud contenant la matière normale de l’amas est en rouge/rose et la
matière noire en bleue.
Pendant la collision, le gaz chaud de chaque amas est ralenti et déformé par une
résistance (un peu comme la résistance de l’air) et un nuage en forme de balle
(mal traduit par boulet en français) se forme dans un des amas. Par contre la
matière noire n’est pas influencée par l’impact et
se sépare de la
matière baryonique normale.
Ces différentes observations ont permis de donner une estimation de la
composition en matière/énergie de l’Univers.
Elle est connue de tous, voir figure ci-contre.
95% de notre Univers nous est inconnu !
PREUVES D’EXISTENCE DE LA MATIÈRE NOIRE.
a)
Tout a commencé par les
courbes de rotation galactique, c’est là que l’on retrouve notre célèbre
Fritz Zwicky qui avait tout compris : les étoiles extérieures des galaxies ne
tournaient pas à la bonne vitesse, elles auraient dû se disperser, mais ce
n’était pas le cas, il y avait une masse invisible qui par ses effets
gravitationnels les maintenaient groupées. Première indication de cette matière
mystérieuse qu’on allait appeler noire. Mais l’ami Fritz n’a pas été pris au
sérieux et ce phénomène a été redécouvert quelques décennies plus tard par Vera
Rubin. La matière noire se trouvait être beaucoup plus abondante que la matière
« normale ».
b)
Les amas de galaxies : c’est ce que l’on vient d’évoquer plus haut avec un
exemple comme l’amas du Boulet et sa masse de matière noire mis en avant par
effet de lentille gravitationnelle.
Cette partie bleue comportant l’essentiel de la masse n’émet pas de lumière, et
n’interagit pas ni avec la matière visible ni avec elle-même.
c)
Cosmologie de précision : ce sont les derniers résultats de Planck qui amènent à
la composition de l’Univers avec une grande précision.
Ce rayonnement de fond cosmologique micro-ondes – CMB – présente d’infimes
fluctuations de température qui correspondent à des régions de densité
légèrement différente aux époques proches du BB et portent en elles le germe de
toutes les structures futures, ces étoiles et galaxies que nous connaissons
aujourd’hui.
Les données de Planck confirment parfaitement l’hypothèse du modèle d’Univers
envisagé, cela permet aux chercheurs d’extraire de ces données les valeurs les
plus précises qui soient quant à ses composantes.
La matière ordinaire (étoiles, galaxies, nous..) représente près de 5% de la
masse/énergie totale, la matière noire constituerait de l’ordre de 23%, le reste
étant occupé par une énergie mystérieuse jouant contre la gravité, que l’on
appelle énergie noire et qui accélérerait l’expansion de l’Univers.
On obtient aussi des preuves d’existence en effectuant
diverses simulations.
On met des particules de matière noire dans un cube de x milliards d’al de côté
et on laisse agir la gravité et si le résultat à notre époque ressemble à ce que
l’on voit dans le ciel, on dit que le modèle est bon !
Quelques exemples :
http://cosmicweb.uchicago.edu/filaments.html
avec son
animation gif
On sait qu’à grande échelle, l’Univers présente une
structure filamentaire
que l’on voit particulièrement bien dans cette étude
SDSS (Sloan Digital Sky Survey).
On peut s’en rendre compte avec
ce petit film de la simulation Millenium (10 milliards de particules !).
Justement les l’étude SDSS nous permet de faire figurer sur la même illustration
les observations et les simulations.
Illustration : Tranches d’Univers obtenus avec le relevé du 2dF (en bleu à
gauche) et avec le SDSS (Sloan Digital Sky Survey, en bleu en haut), comparé
avec le CfA (aussi en haut).
Le tout est comparé avec des simulations numériques en rouge, en bas et à droite
(D’après Springel et al 2006)
Ces grands relevés de galaxies permettent de prendre simultanément des spectres
de centaines de galaxies (un trou, une fibre optique par galaxie !). Le relevé
SDSS comprend par exemple un million de galaxies !!!
Nous sommes situés au centre de l’image.
On pourrait se dire, mais –t-on essayé des simulations SANS matière noire avec
uniquement de la matière baryonique ?
Eh bien oui ! Et cela ne
marche pas, ce que l’on obtient ne correspond pas à la réalité.
À gauche sans matière noire, à droite avec.
QUELLES SONT DONC LES PROPRIÉTÉS DE LA MATIÈRE NOIRE ?
D’après ce que l’on vient de voir, on peut dire que la matière noire :
·
Est constituée de particules lourdes
·
Elle n’émet pas de lumière
·
Elle est neutre
·
Elle est stable car présente depuis l’origine de l’Univers
·
Elle est plus abondante que la matière ordinaire
·
Elle n’a pas ou très peu d’interaction avec elle-même ou avec la matière
ordinaire
Une particule, lourde, stable, neutre et sans interaction n’est pas facile à
trouver dans la table des
particules du modèle standard !
Il ne resterait que les neutrinos, mais ils ne sont pas assez lourds !
Toutes les particules du modèle standard sont éliminées !
Donc il nous faut trouver une nouvelle particule, inconnue à ce jour !
ESSAYONS DE VOIR CE QUE LA MATIÈRE NOIRE NE PEUT PAS ÊTRE.
Comme le dit notre conférencier, la matière noire ne peut pas être « un truc
bizarre astrophysique » comme :
·
Du gaz chaud
·
Un baryon du modèle standard
·
Des trous noirs
·
Des naines brunes
·
Etc….
Il reste une possibilité évoquée par M Cirelli : les
trous noirs primordiaux
(PBH : Primordial Black Holes)
Ces PBH auraient été créés au début de l’Univers, ce sont des TN minuscules,
quantiques.
Ces mini trous noirs proviendraient de cette époque reculée, l’idée vient en
partie de S Hawking et J Carr de Cambridge.
On pense aussi qu’ils auraient un lien avec les ondes gravitationnelles.
Ligo/Virgo seraint ils en train de les voir ?
Ces trous noirs correspondraient aux fluctuations quantiques présentes dans
l’Univers primordial.
Certains pensent qu’ils pourraient être un bon candidat pour la matière noire.
Hypothèse très controversée.
D’après Marco Cirelli, il existe une possibilité d’existence (contrainte) de ces
PBH dans une fenêtre de masse représentée sur la figure ci-contre.
COMMENT DÉTECTER LA MATIÈRE NOIRE ?
On sait qu’elle n’interagit pas avec la matière ordinaire ni avec elle-même ; et
pourtant, si elle interagissait un tout petit peu, on pourrait essayer de la
détecter.
Plusieurs pistes :
DÉTECTION DIRECTE.
Le problème pour détecter les éventuelles particules de matière noire est comme
le dit joliment Marco Cirelli, de faire taire l’’Univers !
Ceci afin de distinguer le signal du bruit. Pour cette raison la plupart des
expériences sont enfouies sous terre, afin d’éliminer le plus possible les
rayonnements parasites, de plus ils sont aussi très souvent refroidis à des
températures cryogéniques.
Néanmoins la probabilité d’interaction est faible : de l’ordre de 1 évènement
par kg et par an au fond d’une mine pour une expérience comme
Edelweiss dans le laboratoire souterrain de Modane.
Alors que pour un être humain il est de 1010 évènements par kg et par
an
Plusieurs expériences de détection directe ont eu lieu comme :
·
DAMA libra au Gran
Sasso en Italie devant détecter des particules de matière noire dans le halo
galactique suivant la position de la Terre de 6 mois en 6 mois (comme pour les
mesures de parallaxe).
·
CoGeNT
(Coherent Germanium Neutrino Technology ) dans une mine d’un parc du Minnesota,
la détection se faisant à l’aide d’un cristal de Germanium ultra pur de 440g
·
CRESST
(Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) situé aussi dans
le laboratoire du Gran Sasso, il utilise
un ensemble de
détecteurs à très basse température.
·
Xenon-100 ce détecteur serait le plus
sensible du monde, il est supposé être capable de détecter de très rares
interactions entre la supposée matière noire et des atomes de Xénon par effet
Tcherenkov. Aussi enfoui au Gran Sasso
·
CDMS
(Cryogenic Dark Matter Search) projet de l’Université de Stanford qui se déroule
dans la mine Soudan du Minnesota.
Cristaux refroidis à très basse température.
·
LUX (Large Underground Xenon Experiment)
detection aussi à base de
Xénon liquide
enfoui dans la mine de Homestake au Dakota du Sud. Effet Tcherenkov.
Si les résultats des 3 premières expériences sont plutôt positifs, ceux des
trois dernières sont plutôt négatifs.
Alors, que conclure ???
On peut résumer nos connaissances actuelles sur ce graphique :
Contraintes sur les sections efficaces des Wimps en fonction de leur masse, par
rapport aux différentes expériences de détection de matière noire en cours
(courbes pleines dans les régions en ombré vert et rose) (le graphique date de
2013) et des projections pour le futur en ligne pointillée. Credit
https://arxiv.org/abs/1310.8327v2
DÉTECTION INDIRECTE.
On espère que les Wimps du halo de notre Galaxie, ces particules supposées de
matière noire, pourraient s’annihiler entre elles.
À cette occasion, elles pourraient donner naissance à des particules connues que
l’on pourrait détecter.
Des expériences (spatiales) sont en cours pour essayer de les détecter comme :
·
PAMELA
(Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) est un
observatoire spatial chargé de détecter des excès de positrons (électrons
positifs) dans l’espace. Elle a mesuré effectivement un excès de e+.
·
Fermi (anciennement
GLAST : Gamma-ray Large Area Space Telescope) s’intéresse à l’astrophysique de
très haute énergie. Il aurait lui aussi détecté un excès de positrons mas pas de
gamma correspondant.
·
AMS-02, expérience accrochée à l’ISS, son détecteur devrait pouvoir
distinguer entre p et anti-p et entre e- et e+. il semblerait qu’il y ait un
léger excès d’antiparticules
·
DAMPE
(Dark Matter Particle Explorer) est un projet Chinois qui a été lancé dans
l’espace en 2015. Il semblerait bien aussi que les premiers résultats soient
très positifs, un excès de positrons et d’électrons.
·
CALET (CALorimetric Electron
Telescope) de la NASA est aussi montée sur l’ISS. Ses résultats ne sont pas
probants.
Alors, là aussi, avec tous ces résultats en contradiction les uns avec les
autres, pour un physicien des hautes énergies….c’est à s’arracher les
cheveux !!!
DÉTECTION AU COLLISIONNEUR.
Dans un collisionneur comme le LHC, le problème est que la matière noire
lorsqu’elle interagit, ne laisse pas de trace.
Il fait pour la pister s’intéresser à l’énergie manquante (transverse,
c’est-à-dire perpendiculaire à la direction des jets)).
Or pour le moment : on ne voit rien venir !!!
CONCLUSIONS.
De quoi est fait notre Univers ?
·
Principalement énergie noire et matière noire
·
Notre Galaxie (et probablement toutes les galaxies) sont entourées d’un halo
invisible de particules de matière noire
·
On essaie de les détecter par plusieurs méthodes :
o
Directe dans les grands souterrains
o
Indirecte dans l’espace
o
Au collisionneur par chocs de particules chargées
·
La matière noire est nécessaire
·
La chasse continue !!
POUR ALLER PLUS LOIN :
Général:
PPPC 4 DM ID: a poor particle physicist cookbook for dark matter indirect
detection par Marco Cirelli
La matière noire dévoilée dans les collisions d'amas de galaxies
Grandes Structures et
Matière Noire par F Combes.
Le gréement des halos de matière noire :
CR de la conf. de C Pichon à la SAF le 14 Mai 2011
les grands sondages de l'Univers : CR de la conférence de O Lefèvre du LAM à
l'IAP le4 Dec 2007
Recherche de la
matière noire par Martin White.
The non-gravitational
interactions of dark matter in colliding galaxy clusters de David Harvey,
Richard Massey et al
La quête d'une preuve expérimentale (2) : Détecter la matière noire
Détecter la matière noire : détection directe
Sur les trous noirs primordiaux :
Primordial Black Holes as Dark
Matter: Converting Constraints from Monochromatic to Extended Mass
Distributions
NASA Scientist Suggests Possible Link Between Primordial Black Holes and Dark
Matter
Trous Noirs Primordiaux et Matière Noire
Sur les expériences souterraines :
The Dark Matter annual modulation results from DAMA/LIBRA
CoGeNT: A Search for Low-Mass Dark
Matter using p-type Point Contact Germanium Detectors
Direct Dark Matter Search with
the CRESST II Experiment
La matière noire : xenon1t détecteur de matière noire sur planetastronomy
Dark Matter
Search with CDMS and SuperCDMS presentation pdf par W Rau de la
collaboration CDMS
Dark Matter Still a Mystery: Most Sensitive Search Yet Comes Up Empty par
space.com
Snowmass CF1 Summary: WIMP Dark
Matter Direct Detection
Let there be light upon the dark: digging deeper for dark matter with LUX
Matière Noire : Nouvelles Traces de WIMPs pour l'expérience CoGeNT
Sur les expériences dans l’espace :
NASA's Fermi Mission Expands its Search for Dark Matter par la NASA
AMS 02 : Sur la piste de la matière noire
First finding of
China's DAMPE may shed light on dark matter research
Excess positrons could come from dark matter after all
Searching for Dark Matter at the LHC
PROCHAINES RÉUNIONS DE LA COMMISSION DE COSMOLOGIE :
Notez dès à présent les dates des prochaines réunions : toujours à 15H au siège
3 rue Beethoven P16
Nous sommes satisfaits de la nouvelle réorganisation de la salle
Merci d’avance de votre aide.
AUTRES DATES IMPORTANTES :
Prochaine conférence mensuelle de la SAF :
Vendredi
12 Janvier 2018 19H à TelecomParisTech Amphi
Thévenin
UNE VIE D’ASTRONAUTE ET DE NOUVELLES MISSIONS !
Par
Claudie HAIGNERÉ
Astronaute de l’ESA, médecin, ancienne ministre, conseillère auprès du directeur
général de l'ESA
Résumé : Claudie Haigneré est notre seule femme astronaute, spationaute et même
cosmonaute.
Elle a en effet participé à deux missions spatiales à la fois à bord de MIR
(Russe, mission Cassiopée) et de l’ISS (mission Andromède).
Elle est grand officier de la Légion d’Honneur. Elle a été ministre et
Présidente d’Universcience.
Maintenant, en poste au siège de l’ESA, auprès de la Direction générale, elle
travaille sur de nouvelles missions.
Elle nous racontera ses diverses expériences spatiales ainsi que ce qu’elle a en
préparation à l’ESA en ce moment.
Entrée libre mais réservation
obligatoire.
À partir du 16 Dec 2017
(En cas de réservation complète, il y aura une liste d’attente)
Journée des Commissions de la SAF: samedi 9 Juin
à l’École des Mines comme l’année
dernière,
Marquez ces dates dans vos agendas
Jean Pierre
Martin SAF Président de la Commission de Cosmologie
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