13/05/2014

Neutrinos Stériles et Matière Noire font Bon Ménage

« Neutrinos stériles » et « matière noire ». Ces deux expressions vont de mieux en mieux ensemble on dirait. Au moment où vient d’être publié un livre blanc (4) sur les neutrinos stériles, sous la forme d’un énorme article de plus de 150 pages faisant tout le tour de la question, rédigé par les dizaines de spécialistes de ces particules décidemment étonnantes, un article, paru fin avril dans Physical Review Letters (1), serait presque passé inaperçu si une brève parue dans Nature la semaine dernière (2) ne s’en était fait l’écho sous l’interjection « Heavy neutrino may be dark matter » qui ne pouvait qu’attirer mon regard…



Cet article de Phys. Rev. Letters est le fruit d’un physicien américain, seul, Kevork Abazajian, qui travaille à l’université de Californie. Il y démontre par quel mécanisme des neutrinos stériles de 7 keV peuvent être produits et être à l’origine des raies gamma inconnues observées à 3,5 keV en provenance du centre des amas de galaxies. 
Paramètres (angle de mélange - masse) les plus probables pour
le neutrino stérile déterminés par Abazajian.

Nous en avions parlé ici en février dernier, plusieurs équipes d’astrophysiciens ont observé une raie spectrale de rayons X (gamma) à l’énergie d’environ 3,5 keV. Cette raie ne correspond à rien de connu et semble bien réelle, c’est-à-dire statistiquement significative. Et la seule hypothèse restante pour expliquer l’existence de ces photons semblant provenir de là où il y a la plus de matière noire, est qu’ils proviendraient de la désintégration de neutrinos stériles. Les neutrinos stériles sont une famille hypothétique de neutrinos, faut-il le rappeler, dont la caractéristique essentielle est qu’ils n’interagissent avec rien, si ce n’est par gravitation. Et comme ils sont un peu lourds, ils se désintégreraient en produisant des neutrinos « normaux » et des photons dont l’énergie serait la moitié de leur masse.

Ce que fait Abazajian, c’est de considérer qu’effectivement toute la matière noire est constituée de tels neutrinos stériles de 7 keV, et il cherche ensuite quel mécanisme physique peut être à l’origine de la production de ces neutrinos pour ensuite regarder quels effets ce mécanisme produit au final  sur les structures à petite échelle et grande échelle dans l’Univers. 

Un des gros défauts du modèle dit de matière noire froide impliquant des WIMPs, et qui est pourtant le modèle dominant aujourd’hui, c’est qu’il prédit la formation d’un grand nombre de galaxies naines autour de notre galaxie, via la présence de nombreux subhalos de matière noire. Ces galaxies naines seraient particulièrement riches en matière noire d’ailleurs. Mais nous n’avons jamais vu ces (théoriquement) nombreuses galaxies satellites ! C’est sans aucun doute le gros point faible du modèle de matière noire à base de WIMPs, ce qu’on appelle la matière noire froide, les neutrinos, eux, formant une matière noire chaude (car étant des particules en mouvement rapide, pour faire court).
Kervork Abazajian (UCI)

Et bien, Kevork Abazajian trouve qu’un modèle impliquant non plus des WIMPs, mais des neutrinos stériles de 7 keV produits par un mécanisme de type résonant (mécanisme MSW), prédit un nombre de galaxies satellites beaucoup plus réduit, tout à fait cohérent avec ce qui est observé. Qui plus est, il montre également que l’on peut prédire avec ce nouveau modèle la distribution de densité au sein de ces galaxies naines, et vous l’aurez compris, cette dernière se trouve à nouveau cohérente avec les observations.

Il faut tout de même noter que des astrophysiciens et physiciennes s’attaquent un peu partout au problème de la quantité de galaxies naines dans l’hypothèse WIMPs en cherchant des voies d’explications par l’affinage du modèle physique de matière noire. Une telle solution a notamment été publiée très récemment sur le site de préprints ArXiv (3), et offre une solution très élégante pour sauver la matière noire froide, en montrant qu’il « suffirait » que les WIMPs puissent interagir avec les photons pour transformer radicalement la formation de subhalos et retrouver le bon nombre de galaxies satellites. En revanche, il n’est pas question ici d’expliquer la raie mystérieuse à 3,5 keV détectée grâce à XMM-Newton et Chandra et qui a remis sur le devant de la scène les nouveaux neutrinos. 

C’est du côté du Japon qu’il va falloir se tourner désormais. En effet, les japonais vont lancer l’année prochaine leur télescope à rayons X ultra-performant Astro-H. celui-ci devrait scruter le centre de notre galaxie et ne devrait pas rater une belle raie monochromatique à 3,5 keV si elle existe vraiment.


Références :

(1) Resonantly Produced 7 keV Sterile Neutrino Dark Matter Models and the Properties of Milky Way Satellites
Kevork Abazajian
Phys. Rev. Lett. 112, 161303 (24 April 2014)

(2) Heavy neutrino may be dark matter
Nature 509, 137 (08 May 2014) 

(3) Solving the Milky Way Satellite Problem with Interactions between Cold Dark Matter and Radiation
C. Boehm et al.
Soumis à MNRAS Letters

(4) Light Sterile Neutrinos: A White Paper
K. Abazajian et al.