Particle Dark Matter in the 1980s and 1990s

Pendant la majeure partie de l'histoire humaine, nous avons cru que l'univers était composé des choses que nous pouvions voir : les étoiles, les nuages de gaz et les vastes espaces vides entre eux. Nous pensions que la gravité qui maintient les galaxies ensemble provenait entièrement de cette matière visible. Mais lorsque les astronomes ont commencé à mesurer la vitesse à laquelle les étoiles se déplaçaient au sein des galaxies, une étrange divergence est apparue. Les étoiles en bordure des galaxies se déplaçaient aussi vite que celles proches du centre, défiant les lois de la gravité si seule la matière visible était présente. Quelque chose d'invisible devait fournir une gravité supplémentaire pour empêcher ces étoiles rapides de s'envoler dans l'espace. Cette substance invisible, qui n'émet ni ne réfléchit la lumière, fut connue sous le nom de matière noire. À la fin du XXe siècle, les scientifiques ont réalisé que cette substance invisible constitue la grande majorité de la matière du cosmos, tandis que les étoiles et les planètes que nous connaissons n'en représentent que moins de un pour cent. La grande question devint : de quoi cette substance invisible est-elle faite ?

Une revue écrite par le physicien Michael Turner retrace le parcours dramatique de vingt ans, de 1980 à 2000, qui a transformé notre compréhension du cosmos et lié l'étude du très grand à l'étude du très petit. En 1980, l'idée que l'univers était dominé par des particules invisibles était un concept marginal. À cette époque, la cosmologie était un domaine comptant moins d'une centaine de chercheurs actifs, et le modèle standard de l'univers était simplement la théorie du Big Bang chaud. La physique des particules, quant à elle, se concentrait sur l'espace intérieur des quarks et des électrons, avec peu d'attention portée au cosmos. Cependant, au cours des deux décennies suivantes, ces deux domaines sont devenus inextricablement liés. La découverte centrale fut que la matière noire qui maintient l'univers ensemble est probablement composée de nouvelles particules élémentaires stables, jamais vues auparavant. Cette prise de conscience a déplacé l'attention d'un univers fait d'atomes vers un univers construit sur un fond de particules invisibles, menant à un nouveau modèle standard de la cosmologie qui inclut la matière noire, l'énergie noire et une période d'expansion rapide appelée inflation.

L'histoire commence par la réalisation que la matière visible dans l'univers est insuffisante pour expliquer la gravité que nous observons. Dans les années 1930, des astronomes comme Fritz Zwicky ont remarqué que les galaxies dans les amas se déplaçaient trop vite pour être maintenues ensemble par la seule gravité de leurs étoiles visibles. Il a inventé le terme « matière noire » pour décrire cette masse manquante. Des décennies plus tard, dans les années 1970 et 1980, les astronomes Vera Rubin et Kent Ford ont confirmé cela à l'échelle galactique. En mesurant les vitesses de rotation de centaines de galaxies spirales, ils ont découvert que les étoiles extérieures se déplaçaient aussi vite que les étoiles intérieures, impliquant que les galaxies sont entourées de halos massifs et invisibles de matière noire. En 1985, la communauté astronomique a officiellement accepté que la matière noire était un phénomène réel, mais sa nature demeurait un mystère.

La percée s'est produite lorsque les physiciens ont commencé à appliquer les outils de la physique des particules à ce puzzle cosmique. En 1980, une nouvelle idée a émergé suggérant que l'univers était dominé par des neutrinos, un type de particule légère déjà connue. Les théoriciens ont proposé que ces particules, se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière, pourraient former les halos de matière noire. Cet « univers dominé par les neutrinos » suggérait que les grandes structures comme les superamas se seraient formées en premier, puis se seraient brisées en galaxies plus petites, un processus connu sous le nom de formation « top-down » (du haut vers le bas). Cependant, cette idée fut de courte durée. Les simulations informatiques et les observations de la distribution réelle des galaxies ont montré que l'univers s'est formé de bas en haut (« bottom-up »), avec de petits amas fusionnant pour former des structures plus grandes. Les neutrinos rapides auraient lissé ces petits amas, empêchant la formation des galaxies que nous voyons aujourd'hui. Cela a permis d'exclure les neutrinos comme composante principale de la matière noire.

L'idée des neutrinos ayant été écartée, l'attention s'est portée sur des particules plus lentes et plus lourdes. En 1982, un atelier majeur à l'Université de Cambridge a aidé à consolider une nouvelle image. Les théoriciens avaient récemment proposé que l'univers ait subi une période d'expansion rapide appelée inflation, qui a créé un univers plat avec une densité totale spécifique. Puisque la matière visible et les atomes normaux ne pouvaient constituer qu'une petite fraction de cette densité requise, le reste devait être autre chose. Cela a conduit à l'essor de la « matière noire froide », une théorie suggérant que la masse invisible est composée de particules lentes qui permettent aux petites structures de se former en premier. Deux candidats principaux ont émergé du monde de la physique des particules : l'axion et le neutralino. L'axion a été proposé pour résoudre un problème spécifique de la théorie des forces nucléaires fortes, tandis que le neutralino était une particule prédite par une théorie appelée supersymétrie, qui suggère que chaque particule connue possède un partenaire plus lourd. Ces deux particules seraient lourdes, lentes et stables, ce qui en fait de parfaits candidats pour la matière noire froide nécessaire à la construction de l'univers.

Au milieu des années 1980, la communauté scientifique a commencé à prendre ces candidats particulaires au sérieux. Les théoriciens ont réalisé que si ces particules existaient, elles devraient être détectables. Ils ont proposé trois moyens principaux pour les trouver : en cherchant les particules elles-mêmes lorsqu'elles passent à travers des détecteurs sur Terre, en cherchant le rayonnement produit lorsque ces particules entrent en collision et s'annihilent dans l'espace, ou en les créant dans des accélérateurs de particules. Cette ère a vu la naissance d'un nouveau champ dédié à la traque de la matière noire, avec des expériences conçues pour détecter les signaux ténus que ces particules invisibles pourraient laisser derrière elles. Le terme « WIMP », signifiant Weakly Interacting Massive Particle (particule massive interagissant faiblement), a été introduit pour décrire des particules comme le neutralino qui n'interagissent avec la matière normale que par la gravité et la force nucléaire faible. La coïncidence selon laquelle ces particules existeraient naturellement en la quantité exacte pour expliquer la matière noire était si frappante qu'elle est devenue un pilier central du nouveau modèle cosmologique.

La dernière pièce du puzzle s'est mise en place à la fin des années 1990. Bien que les preuves de la matière noire soient solides, la densité totale de l'univers restait un mystère. Les mesures du fond diffus cosmologique, la lueur résiduelle du Big Bang, et la distribution des galaxies suggéraient que l'univers était plat, ce qui signifie que sa densité totale correspondait à une valeur critique. Cependant, la matière dont nous pouvions rendre compte, incluant à la fois les atomes normaux et la matière noire proposée, ne représentait qu'environ trente pour cent de cette valeur critique. Pendant longtemps, cela fut un problème majeur. Puis, en 1998, des astronomes étudiant des étoiles lointaines en explosion ont découvert que l'expansion de l'univers ne ralentit pas comme prévu, mais qu'elle s'accélère en réalité. Cette accélération impliquait l'existence d'une force répulsive mystérieuse, désormais appelée énergie noire, qui constitue les soixante-dix pour cent restants de l'univers.

En l'an 2000, un tableau complet était apparu. L'univers est composé d'environ cinq pour cent de matière normale, vingt-cinq pour cent de matière noire froide et soixante-dix pour cent d'énergie noire. Ce modèle, connu sous le nom de Lambda-CDM, est devenu le nouveau standard. Il explique avec succès la formation des galaxies, le fond diffus cosmologique et l'expansion accélérée de l'univers. Le voyage de 1980 à 2000 a transformé la cosmologie, passant d'un domaine où les mesures étaient souvent incertaines par des facteurs de deux, à une science de précision où les propriétés de l'univers sont connues à quelques pour cent près. Le travail de cette ère a établi que l'univers n'est pas seulement une collection d'étoiles, mais une structure complexe maintenue et pilotée par des forces et des particules invisibles que nous commençons à peine à comprendre. Aujourd'hui, la recherche se poursuit pour identifier la nature spécifique de ces particules sombres, mais le cadre qu'elles ont aidé à construire demeure le fondement de notre compréhension moderne du cosmos.