matière noire stérile neutrino

Dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, cachée profondément sous terre, quelque chose a bougé un jour. Pas le xénon lui-même, mais l'un de ses noyaux atomiques : il a reçu une impulsion de 248 keV et a rebondi comme une boule de billard heurtée par une boule invisible.

Le neutron est une particule qui se trouve généralement dans le noyau atomique et ne disparaît jamais. Mais certaines théories suggèrent qu'il pourrait parfois se transformer en son double invisible — une particule impossible à détecter avec les détecteurs ordinaires.

Personne n'a jamais vu la matière noire, mais elle devrait traverser les détecteurs comme le vent à travers les feuilles. Parfois, très rarement, une particule de matière noire heurte le noyau d'un atome – et le détecteur doit alors capter cette secousse.

La matière noire reste le fond de basse inaudible de la symphonie cosmique — elle n'émet pas de lumière, mais son attraction gravitationnelle façonne les galaxies. Vera Rubin a capté ce rythme pour la première fois dans les années 1970 en observant la rotation des étoiles.

Une cuillère à café de matière d'étoile à neutrons pèse comme une montagne. Mais cette montagne pourrait avoir un jumeau invisible. Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons, la matière ordinaire est compressée à des densités inimaginables. Là, les protons et les neutrons peuvent se dissoudre en une soupe de quarks.

Deux pierres tombent dans un étang. Chacune crée des ondulations, mais quand elles se heurtent, il y a une éclaboussure et un choc bref et sonore. C'est à peu près ainsi que sonne la fusion de deux étoiles à neutrons — ces résidus ultra-denses d'étoiles explosées.

Au plus profond du sol au Japon se trouve un immense réservoir rempli d'eau ultrapure. Il attend de rares visiteurs : les neutrinos, arrivant des explosions d'étoiles lointaines. Ces visiteurs sont si rares qu'au fil des années d'observation, l'appareil Super-Kamiokande n'enregistre que quelques événements.

Un architecte consulte son plan lorsqu'il construit une maison. Pour les cosmologistes, le plan est le modèle standard, et le mètre ruban est la lumière des galaxies lointaines. Récemment, un nouveau « mètre ruban », l'instrument DESI, a mesuré les distances de millions de galaxies avec une précision inédite.

Une casserole d'eau bouillante frémit, mélangeant tout son contenu. Dès qu'on la retire du feu, le mouvement s'apaise et l'eau refroidit lentement. Il en va de même pour l'Univers : juste après le Big Bang, il était une « soupe » brûlante de particules qui entraient constamment en collision et se transformaient les unes dans les autres.

Le tritium radioactif se désintègre et émet un électron. Son énergie est presque toujours la même, mais parfois elle est un tout petit peu plus faible. Ce « manque à gagner » pourrait signifier qu'une autre particule cachée est née en même temps que le neutrino ordinaire.

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.

Au plus profond d'un laboratoire souterrain, un détecteur de la taille d'une pièce attend un événement qui pourrait ne se produire qu'une fois tous les cent milliards de milliards d'années.

La matière visible n'est qu'une goutte dans l'océan du bouillon cosmique. L'essentiel de l'univers est constitué de matière noire invisible, dont la gravité empêche les galaxies de s'éparpiller. Le meilleur candidat pour ce rôle est le neutrino stérile, une particule fantôme qui n'est reliée à nous que par un pont ténu.

L'électron s'échappe du noyau de tritium avec une énergie de 18,57 keV, laissant derrière lui un partenaire invisible : le neutrino. Si ce neutrino a accès à la cinquième dimension, sa masse se décompose en une tour entière d'états, et chacun d'eux prélève sa part du spectre.