L'énigme de la
Matière noire

Matière ordinaire

Tout ce qui nous entoure est fait de matière ordinaire

Ces objets ne se ressemblent pas et il faut regarder de très, très près pour leur trouver des points communs.

En effet, toute la matière de ces objets est constituée d’atomes dont la taille est d’environ 0,0000000001 m ! Les propriétés de la matière dépendent des types d’atomes et du nombre d’atomes de chaque type qui la constituent. L’eau par exemple est composée de molécules constituées par un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène.

Chaque atome est constitué d’un noyau, contenant un agrégat de protons et de neutrons, entouré d’électrons. Les propriétés des atomes et donc de la matière dépendent en particulier du nombre de protons et d’électrons. Ainsi un atome d’hydrogène contient 1 proton et 1 électron, un atome d’oxygène 8 protons et 8 électrons et un atome de fer 26 protons et 26 électrons.

Les atomes ne sont pas les briques élémentaires de la matière puisqu’ils sont constitués de particules plus petites. Les électrons sont à notre connaissance bien élémentaires mais ce n’est pas le cas des protons et des neutrons. Eux-mêmes sont formés de particules appelés quarks. Il faut deux quarks “up” et un “quark” down pour faire un proton et deux quarks “down” et un quark “up” pour faire un neutron. Et tout cela n’est pas si simple, ces quarks sont sans cesse en interaction dans les protons et les neutrons qui ressemblent plutôt à une soupe bouillonnante de particules.

L’électron, les quarks “up” et “down” forment la première famille des particules élémentaires. Ils sont la base de toute la matière qui nous entoure et nous constituent puisqu’ils composent les atomes.

Mais, pour que la famille soit complète, il faut ajouter une particule spéciale : le neutrino. C’est une particule discrète qui interagit très peu (elle peut traverser la Terre !) mais qui est très fréquente dans l’univers. Les réactions nucléaires dans le Soleil par exemple produisent énormément de neutrinos.

Les chercheurs ont découvert qu’il existe deux autres familles de particules élémentaires qui ressemblent en tout point à la première famille sauf que les particules qui les composent ont une plus grande masse (par exemple le muon est comme un électron mais avec une masse environ 200 fois plus grande). Ce tableau rassemble toutes les particules du Modèle Standard.

Et la matière noire dans tout ça, est-elle composée d’une de ces particules ? ou a-t-elle une nature différente ?

Il semble vraiment qu’il n’y a pas eu assez de particules ordinaires créées dans les premières secondes après le Big-Bang pour expliquer toute la masse que l’on détecte aujourd’hui. L’univers primordial nous a laissé comme témoin le rayonnement fossile, l’écho lumineux du Big-Bang. Si il y avait eu plus de protons et d’électrons, alors cet écho ne devrait pas ressembler à celui qu’on observe.

En étudiant les effets de la matière noire, nous connaissons certaines de ses propriétés : par exemple elle n’a pas de charge électrique et n’interagit vraiment pas beaucoup avec la matière ordinaire. Les particules qui correspondent le mieux à ce portrait-robot parmi les particules connues, celles qui sont dans le tableau, sont les neutrinos. Malheureusement leur masse est beaucoup trop faible pour expliquer toute la matière noire …

Si la matière noire est une particule, alors c’est une particule nouvelle que nous ne connaissons pas encore. Si tel est le cas, elle pourrait être produite comme les autres particules du Modèle Standard dans les collisions de protons du LHC (voir  la page accélérateurs pour en savoir plus). Ou alors il pourrait s’agir d’une nouvelle sorte de neutrino (voir la partie neutrinos). Les physiciennes et physiciens des particules la cherchent activement !

Pour vous donner une idée de la taille de ces particules, nous vous proposons une balade dans le monde de la matière, de l’infiniment petit à l’infiniment grand :  http://htwins.net/scale2/lang.html .

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