Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était un bouillon brûlant de particules. Parmi elles, il pouvait y avoir des neutrinos, des particules très légères et presque insaisissables. Certains d'entre eux étaient peut-être « stériles » : ils n'interagissent presque pas avec le reste de la matière, comme un invité silencieux dans une fête bruyante. Si de telles particules existent, elles pourraient constituer la matière noire, cette substance invisible qui maintient les galaxies ensemble.
Les auteurs de cette nouvelle étude ont examiné comment les neutrinos stériles sont apparus dans l'Univers primordial. Les neutrinos ordinaires, en entrant en collision les uns avec les autres, pouvaient engendrer leurs cousins stériles. Ces particules nouveau-nées se dispersaient dans toutes les directions, et leur mouvement influençait la manière dont les amas de matière ordinaire se sont ensuite rassemblés. Une telle trace peut être observée dans la répartition des galaxies et dans la façon dont le gaz lointain absorbe la lumière.
En comparant les prédictions avec les données sur le fond diffus cosmologique (la lumière laissée par la jeunesse de l'Univers) et sur les forêts de Lyman-alpha (les motifs d'absorption dans les spectres des quasars lointains), les scientifiques ont obtenu des limites strictes sur la masse des neutrinos stériles. Ces limites sont comparables aux meilleures contraintes de laboratoire, mais elles proviennent de la cosmologie, la science qui étudie l'Univers dans son ensemble.
Cette approche rappelle un travail de détective : sans voir les particules elles-mêmes, nous reconstituons leurs propriétés à partir des traces qu'elles ont laissées à l'échelle cosmique.
Les neutrinos stériles pourraient expliquer non seulement la matière noire, mais aussi la masse minuscule des neutrinos ordinaires, via ce que l'on appelle le mécanisme à bascule.