La matière noire pourrait ne pas l'être complètement

Pour rendre compte du comportement des galaxies et des amas de galaxies, on a été conduit à supposer l'existence dans l'univers observable d'un nouveau type de matière, dont la masse totale dépasse largement celle dans la matière normale. Cette matière est dite noire car elle serait composée de particules incapables d'émettre de la lumière. Sa présence ne serait trahie que par son champ de gravitationgravitation et l'influence qu'il a sur les galaxies.

On s'est rendu compte que cette matière noire était un ingrédient essentiel pour expliquer la naissance même des galaxies. En revanche, il est possible de s'en passer pour décrire les galaxies en modifiant les lois de Newton pour la gravitation à longue distance. Le cadre théorique effectif pour penser ces modifications est celui de la théorie Mond, qui vient de recevoir un nouveau soutien observationnel avec les découvertes concernant les naines d'Andromède.

Pour ceux qui continuent à suivre la piste de la matière noire, l'un des cadres théoriques principaux pour penser la nature des particules la constituant, et donc pour concevoir des tests observationnels, est celui des fermions de Majorana. Ces particules sont neutres mais, comme le découvrit Pauli, elles ne peuvent avoir, contrairement aux neutronsneutrons, un moment dipolairemoment dipolaire magnétique (ou électrique). Notons qu'il existe tout de même des modèles de matière noire avec un tel moment. Plus généralement, un fermionfermion de Majorana ne peut pas posséder ce qu'on appelle des moments magnétiques ou électriques multipolaires. On peut toutefois lui attribuer un moment magnétiquemoment magnétique toroïdal et étudier ce que cela implique pour la matière noirematière noire, comme viennent de le faire deux physiciensphysiciens de l'université Vanderbilt (Nashville, États-Unis), dans un article déposé sur arxiv. Mais avant d'examiner de plus près ce qu'il en est de leur théorie, faisons un peu mieux connaissance avec Majorana et ses fermions.

Neutrino, matière noire et fermions de Majorana

Le physicien italien Ettore Majorana partage avec Évariste Galois bien des points communs. Génie précoce né en 1906, ce visionnaire disparaît mystérieusement en 1938, sans que l'on sache vraiment s'il s'est suicidé ou s'il avait décidé de se retirer du monde tel un Alexandre Grothendieck. En 1937, Majorana a publié un article prolongeant la théorie relativiste des électrons de Dirac. Celui-ci avait découvert une équationéquation mariant la théorie de la relativité restreinterelativité restreinte et la mécanique quantique, une nécessité pour décrire de façon cohérente des particules comme les protonsprotons, les neutrons et les électronsélectrons, connus à cette époque.

Magiquement, cette équation prédisait le spinspin 1/2 de l'électron ainsi que l'existence de son antiparticuleantiparticule, le positronpositron. Depuis cette époque, les particules de spin demi-entier sont appelées fermions et les particules de spin entier sont nommées bosons. Majorana avait découvert un moyen de décrire des particules de spin demi-entier arbitraires, par exemple 3/2. Dans la droite ligne de ses recherches, il découvrit, peut-être même avant 1937, une théorie faisant intervenir ce qu'on appelle aujourd'hui des fermions de Majorana, alors que les électrons et les protons sont appelés des fermions de Dirac.

Ettore Majorana (Catane, Sicile, 5 août 1906 - présumé disparu en mer Tyrrhénienne le 27 mars 1938) avait selon les dires de son mentor, Enrico Fermi, une intelligence supérieure à la sienne. © DP

Le photon est sans charge et il constitue sa propre antiparticule, mais celle de l'antiparticule d'un électron est de charge opposée, c'est le positron. Les neutrinosneutrinos sont neutres mais on sait qu'ils ont leur antiparticule, laquelle peut aussi être décrite par l'équation de Dirac. Toutefois, on a des raisons de penser que les neutrinos seraient mieux décrits par la théorie des fermions de Majorana, selon laquelle, tout comme pour les photonsphotons, les neutrinos seraient leur propre antiparticule. Des fermions de Majorana apparaissent naturellement dans le cadre de théories supersymétriques. S'il existe, le fameux neutralinoneutralino de ces théories, peut-être le meilleur candidat au titre de particule de matière noire, est un fermion de Majorana.

L'anapole, un moment magnétique toroïdal

Toujours est-il que dans le domaine de la physique des particules, il n'y a pour le moment aucune preuve de l'existence des fermions de Majorana. Donc, si on a pu montrer que les fermions de Majorana ne pouvaient pas avoir de structure multipolaire électrique ou magnétique, il existe toute de même une configuration de champs électriqueschamps électriques et magnétiques très particulière qui peut leur être associée. Il s'agit d'un anapole, qui désigne le moment magnétique toroïdal dont a parlé précédemment.

Un anapole magnétique peut être modélisé par un solénoïde fermé. Des courants « j » représentés en bleu sur ce schéma génèrent des champs magnétiques « B » (en rouge), confinés à l'intérieur du tore. Des anapoles ont été observés dans les noyaux césium 133 et ytterbium 174 ainsi qu'en physique du solide. © HoferAnderl, Wikipédia

Un anapole magnétique pour un fermion, mais de Dirac, a été considéré la première fois par le grand physicien et cosmologiste Iakov Zeldovitch en 1958. Sa représentation la plus simple est celle que l'on obtient avec une bobine magnétique, un solénoïdesolénoïde, refermée sur elle-même et collée à ses deux extrémités pour former un tore. Les courants électriquescourants électriques circulants selon les petits cercles du tore génèrent alors un champ magnétiquechamp magnétique le long des grands cercles intérieurs du tore, et à cet endroit uniquement. À l'extérieur du tore il n'y a ni champ électrique ni champ magnétique.

Mais lorsqu'un tel anapole se déplace, en particulier à grande vitessevitesse, dans un champ électromagnétiquechamp électromagnétique, il se couple à celui-ci d'autant plus fortement qu'il est en mouvementmouvement rapide. Si la matière noire est composée de fermions de Majorana avec un anapole, elle est donc sensible aux champs électromagnétiques. En ce sens, à strictement parler, elle n'est pas tout à fait noire, même si elle ne peut toujours pas rayonner comme la matière normale.

Un modèle de matière noire bientôt réfutable

Lorsque l'universunivers était plus dense et plus chaud, ces particules de matière noire se déplaçaient rapidement. Elles entraient donc en interaction avec la matière normale et les champs électromagnétique plus fortement que de nos jours. En fait, plus l'univers se refroidit, plus les vitesses de ces particules diminuent, et moins elles sont  sensibles à ces champs dans le cadre du modèle de matière noire proposé par les deux physiciens américains. Ces particules peuvent s'annihiler et on peut faire avec elles des calculs analogues à ceux réalisés avec des neutralinos pour déterminer ce qu'on appelle une densité relique, héritée de la phase de Big Bang de l'univers observable. On peut aussi prédire son comportement dans des détecteurs enterrés comme Xenon 100.

Finalement, on dispose donc d'un nouveau modèle de particule de matière noire ayant des possibilités d'interactions supplémentaires avec la matière normale, qui ne repose pas sur l'introduction de nouvelles forces exotiquesexotiques. Ces interactions étant variables selon les situations, cela permet d'envisager de réconcilier des observations éventuellement divergentes concernant  la matière noire. Surtout, comme le dit l'un des auteurs du modèle de matière noire anapolaire, le physicien Robert J. Scherrer : « Ce modèle fait des prédictions très précises sur la manière dont les particules de matière noire devrait apparaître dans les vastes détecteurs qui sont enterrées dans le monde entier. Ces prévisions montrent que, bientôt, l'existence de la matière noire anapolaire devrait être confirmée ou exclue par ces expériences ».