A la recherche de la matière noire

1. A la recherche de la matière noire Daniel Lellouch DPPA-WIS Daniel Lellouch - Looking for Dark Matter

3. Andromède, unegalaxiespiraletypique Daniel Lellouch - Looking for Dark Matter

4. De quoi la galaxieest-elle ? faite Daniel Lellouch - Looking for Dark Matter

5. Amas de galaxies Daniel Lellouch - Looking for Dark Matter

6. 1933 : les premiers indices • Fritz Zwickymesure la dispersion des vitesses de galaxies dansl’amas de la Chevelure de Berenice. Il remonte à la masse de l’amas par le théorème du viriel <T> = -<V>/2 • Résultat: la masse est >100 foissupérieure à la masse lumineuse. • Le résultatestsujet a caution, car ildépend de la relation masse-luminosité • 3 options mentionnéesdansl’article original: • Matière invisible à l’intérieur des galaxies • Matière invisible entre les galaxies • Les lois de Newton ne sont pas correctes (!)

7. Fritz Zwicky

8. Deuxièmeindice: les “courbes de rotation” • 1940-1950 : premières mesures de la vitesse des étoiles • 1970’s : mesures de la vitesse du gazneutrecontenudans la galaxie par radio astronomie à 21 cm. Avantage: la poussièreesttransparente à cettelongueurd’onde

9. L’ennemi en radio-astronomie: la diffraction • θ≈λ / d • Pour unerésolutiond’une minute d’arc: • λ = 0.6 μm : d = 2.5 mm • λ = 21 cm : d = 800 m

10. Daniel Lellouch - Looking for Dark Matter

11. Les 2 grosses surprises • La masse de la galaxie, déduite de la vitesse du gaz, estde 5 à 10 foistropélevée • Encore plus étonnant: les courbes de rotation sont plates

12. Annees 80: début des simulations “massives” • Resultat: les disques des galaxies ne sont stables ques’ilssontentourés d’un halo sphérique Daniel Lellouch - Looking for Dark Matter

13. Mesures de masse par la RelativitéGénérale La clé de voûte de la RelativitéGénéraleest le Principe d’Equivalence: les lois de la physique d’un système en accélérationpeuventêtredécritescommes’ilétaitsoumis à la gravitation et vice-versa Ceci a des conséquencesdramatiques

14. Daniel Lellouch - Looking for Dark Matter

15. La Lumièreestdéfléchie par la gravité !

16. 1913: Einstein propose de mesurer la déflectionde la lumièred’uneétoilesituée derrière le Soleil. • La mesure ne peutêtreentrepriseque pendant lorsd’éclipsetotale. • Un facteur “2” manquedansl’article original Calculclassique : α =2 GM/dc2 Calculrelativiste : α = 4 GM/dc2 • Première occasion après la Première Guerre Mondiale: le 21 mai 1919

18. Les résultats Lights All Askew In The Heavens Men Of Science More Or Less Agog Over Results Of Eclipse Observations Einstein Theory Triumphs. [ N.Y.T.]

19. Lentillesgravitationnelles α θ θ θdonneunemesure de la masse de la “lentille” Imaginonsqu’une source lointaine, une masse importante et un observateursoientsurunemêmeligne :

20. A la recherche des MACHOsMAssive Compact Halo Objects

21. EROSExpérience pour la Recherched’ObjetsSombres • “Signal” authentifié par • Amplification de la lumière • Achromaticité • Quelques “candidats” ontbienétéobservés, mais pas en nombresuffisant. • Quesont-ils? • Nainesbrunes? • Vieillesnaines blanches? • Planètesorphelines? • Etoiles à neutrons? • Trous noirs?

22. Collision entre deuxAmas de galaxies Amas après la collisions (dans le visible) Gazchaudaprès la collisions (détecté en X, superposésurl’image) Matière noire (résultat du calcul , superposé)

23. Mais … “Abell 520” , mesuréen 2007, confirmé en 2012 Daniel Lellouch - Looking for Dark Matter

24. La matière noire à l’echellecosmologique La feuille de route • Mesurons la densitétotale de l’Univers • Mesurons la densité “baryonique” (c’est-à-dire protons et neutrons) • Comparons !

25. La courbure de l’espace temps La densité de l’univers fixe sacourbure; analogie à deux dimensions: • GeométrieEuclidienneΣθi = 180° • GeométriesphériqueΣθi > 180° • GeométrieRiemanienneΣθi <180° Unemesure de la courbure de l’univers correspond à unemesure de sadensité Ω = 1 Ω > 1 Ω < 1

28. Les “reglescosmiques”:les fluctuations du rayonnementfossile Daniel Lellouch - Looking for Dark Matter

29. L’Universest PLATΩ=1 (ρ ≈ 6 protons/m3aujourd’hui)

30. Mesure de la densité de matièrenormale: La nucléosynthèse Ω =1 (ρ ≈ 6 p/m3aujourd’hui) • Protons et neutrons furentcréesdans la première seconde qui suivit le big bang. • Pendant les minutes qui suivirent, les collisions entre les particulesbâtirent par fusion/fission les noyaux des éléments legers . • Succès colossal du modèledu Big-Bang : l’abondance des divers élémentsne dépendque d’un seulparamètre: la densité de protons/neutrons • Solution unique: Ωb=0.045 ( ρ≈ 0.3 p/m3aujourd’hui)

31. Résumé de la situation • L’énigme de la matière noire se apparaîtà 3 échelles • A l’interieur des galaxies • Dans les amas de galaxies • A l’echellecosmologique (et ne peutêtre de la matièreordinaire, protons ou neutrons) • Lignes de rechercheenvisageables: • La matière noire estconstituéede particulesélémentaires déjà connues • La matière noire estconstituéede particulesélémentaires d’un type nouveau • Détection “naturelle” directe/indirecte • Production auprès de d’accélérateurs de particules • Modifions les Lois de la Physique !

32. Un exemplehistorique de “matière noire” en physique nucléaire (1930) • Désintégrationα : Energie et quantité de mouvementconservées • Désintégrationβ : Energie et quantité de mouvement non conservées 4He N N’ e N N’ Attendu

34. Le neutrino insaisissable Mesdames et Messieurs radioactifs, L’auteur de ceslignes, qui vousdemanderespectueusement de vousécouter, vousexpliqueraultérieurement en détail la dernière tentative désespéréede sauver le principed’exclusion [de Pauli] et la loi de conservation de l’énergie: la possibilitéqu’ilexistepeut-êtredans le noyauuneparticuleélectriquementneutre, que je souhaiteraisappeler “neutron”[neutrino], dont le spin serait ½. … Je ne peuxmalheureusementêtre des vôtres à Tubingen car je suis indispensable ici à Zürich pour cause de bal la nuit du 6 au 7 décembre Meilleurs sentiments. Votre humble serviteur W. Pauli .

35. Héros no 1: EttoreMajorana

36. Héros no 2 : Bruno Pontectorvo

38. Les neutrinos constituent-ils la matière noire? • 3 types de neutrinos furenteffectiventobservés en 1956, 1962 et 2000 . • Ilsfurentlongtempsconsidéréscommecandidatsidéaux de Matière noire chaude. • Maisleurs masses, dont la mesure (indirecte) date du début des années 2000, sont beaucoup tropfaibles pour expliquer la masse qui nous manque. Daniel Lellouch - Looking for Dark Matter

39. Le modèlestandard des particules • LeModele Standard est la théorie en vigueur qui décritfabuleusement les particulesélémentaires et leurs interactions • Les “Fermions” (particules de matière, spin ½) appartiennent à 3 générations : une pour la matière de tous les jours, et 2 qui jouèrent un rôleclé pendant la première micro seconde de l’univers et sontresponsables de l’excès de matière par rapport à l’antimatière • Les “Bosons” (particles de spin entier) qui sontles messagers des forces. • La particule de Higgs, résidu du mecanisme de Higgs, qui epliquepourquoi les particulesontune masse H

40. Le Paradigme: Particulesdans le halo des galaxies • Offred’emploi : on rechercheparticules candidates au poste de matièrenoire • De masse suffisante • Sans charge electrique • Qui n’interagissentquetrèsfaiblement entre elles-mêmes et avec la matière • Stables pour au moins 10 milliards d’années. H

41. Il fautsauver (étendre) le modèlestandard Allégorie! 1cm • Il ne comprend pas la gravitation • Deuxproblèmes de réglage fin: • Les masses qui apparaissentnaturellementdans la théoriesont beaucoup tropélevées • Les calculs de l’intensité des forces sontinstables et parfois divergent. • Uneallégorieastronomiaue

42. Modèles“supersymétriques” • Chaque type de particule de matière a un partenaireparticule de force et vice-versa. • Dans de nombreuxmodèles, la particulesupersymétrique la plus légèreest • Stable • ElectriquementNeutre • Très massive, sinonelleaurait déjà étédécouverte. • Candidatidéal au rôle de WIMP (Weakly Interactive massive Particle)

49. Simulation d’une collision créantuneparticulesupersymétrique Attention : la découverted’uneparticulesypersymétrique en laboratoiren’impliquerait pasautomatiquementqu’elleconstitue la matière noire.