lundi 24 février 2014

L'Offensive des Neutrinos Stériles

D’après le modèle standard de la cosmologie, l’Univers est composé de 5% de matière ordinaire, 27% de matière noire et 68% d’énergie noire. Après une période inflationnaire ultracourte il y a environ 13,8 milliards d’années, au cours de laquelle de microscopiques fluctuations d’énergie se sont retrouvées amplifiées, la matière noire s’est regroupée autour de ces zones de plus forte densité, puis c’est la matière ordinaire qui s’est ensuite accumulée autour de ces puits gravitationnels pour former galaxies et amas de galaxies.
Simulation de la distribution de matière noire en filaments
(Kavli Institute for Particle  Astrophysics and Cosmology)

C’est cette histoire modélisée que nous retraçons en étudiant le fond diffus cosmologique (CMB), ce tout premier rayonnement visible émis 300 000 ans après le temps zéro théorique. De nombreux scientifiques avaient espéré que les mesures du CMB du satellite Planck l’année dernière auraient permis de découvrir de nouvelles choses permettant de revoir ce modèle d’Univers. Et il n’en fut rien… Rien de nouveau, hormis quelques ajustements de valeurs numériques, ne se cachait dans les données de Planck.

Parmi ceux qui auraient aimé voir quelque chose de nouveau figuraient des spécialistes des neutrinos, qui auraient vraiment aimé voir des indications de l’existence d’un nouveau neutrino, un quatrième neutrino, qui serait un neutrino différent des trois autres, un neutrino stérile, ayant la caractéristique extraordinaire de n’interagir avec aucune autre particule, sauf par gravitation. Mais les résultats de Planck furent sans appel, il n’y aurait que trois neutrinos possibles pour permettre les observations…



Mais aujourd’hui, pas moins de trois équipes différentes dans trois articles indépendants, indiquent que les physiciens exploitant les données de Planck n’ont peut-être pas tout vu dans leurs données et qu’il pourrait bien exister réellement un neutrino stérile…
C’est Jan Hasenkam et Jasper Hamann, tous deux du CERN, qui ouvrirent le bal en octobre dernier dans un article paru dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, qu'ils intitulèrent "A new life for sterile neutrinos: resolving inconsistencies using hot dark matter"et ils furent suivis indépendamment par les américains Mark Wyman et ses collègues puis par les anglais Richard Battye et Adam Moss le 6 février dernier avec deux articles indépendants parus dans le même numéro de Physical Review Letters.
Carte du fond diffus cosmologique (Planck Collaboration)

Les trois articles partent de la même observation : avec les paramètres établis par les données de Planck, le modèle cosmologique standard prédit beaucoup plus d’amas de galaxies que nous n’en voyons effectivement. En effet, toutes les technologies permettant de compter les amas de galaxies donnent des résultats cohérents entre eux mais en profond désaccord avec les paramètres déduits des mesures de Planck.

Mais il se trouve que les amas devraient être beaucoup moins abondants dans un Univers qui contiendrait des neutrinos stériles ayant une masse d’environ un millionième de celle d’un électron (ce qui ferait environ 0,5 eV). Cela est dû au fait que dans le modèle standard, la matière noire est considérée être constituée de particules « froides », massives, se mouvant lentement et promptes à s’accumuler. En un mot, des WIMPs. Mais si à l’inverse, une partie de la matière noire est constituée de particules « chaudes », en mouvement rapide, comme des neutrinos, les agglomérations de masse auraient lieu moins rapidement et il se serait formé, au final, moins d’amas de galaxies.

Un neutrino stérile ajouterait également un surplus de rayonnement dans l’Univers primordial, ce qui "boosterait" légèrement la valeur de la constante de Hubble estimée par Planck, résolvant par là-même le petit souci de concordance entre la valeur de la constante de Hubble estimée localement et celle estimée via les oscillations acoustiques baryoniques du CMB par Planck.
En revanche, le nouveau neutrino stérile devrait avoir des propriétés particulières afin de ne pas ajouter trop de rayonnement pour rester en cohérence avec d’autres résultats déduits des données de Planck. Il devrait ainsi être hors de l’équilibre thermique vis-à-vis des autres particules dans l’Univers primordial par exemple, ce qui est possible en théorie, mais n’apparaît pas naturel.


Cette simulation représente les structures de masse d'une portion d'Univers large de 500 millions d'années-lumière. La matière noire est en noir (logique) et les amas de galaxie en jaune, à l'intersection des filaments de matière noire (SLAC National Accelerator Laboratory)

D’autres cosmologistes qui sont farouchement contre cette nouvelle interprétation disent que le déficit en amas galactiques pourrait n’être qu’une illusion. Comme les astrophysiciens comptent les amas de galaxies qui se trouvent dans une certaine plage de masse, et comme la masse des galaxies est évaluée à partir soit de leur émission X ou soit par effet de lentille gravitationnelle, une sous-estimation de ces masses est vite arrivée et induirait mécaniquement une sous-estimation du nombre d’amas comptés. Faire de la cosmologie à partir d’un décompte d’amas galactiques apparaît très difficile et des études encore non publiées tendraient à suggérer que les amas galactiques sont plus massifs que prévu…

La controverse pourrait dans tous les cas être bientôt levée car les équipes analysant les données de Planck devraient en effet publier cette année de nouveaux résultats basés sur plus de données, et d’autre part les calibrations des mesures de masse d’amas devraient être améliorées, sans compter les expériences d’oscillométrie des neutrinos qui sont toujours en activité et à l’affût de la moindre anomalie…


Références :

A new life for sterile neutrinos: resolving inconsistencies using hot dark matter
Jan Hamann and Jasper Hasenkampb
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 10  044 (October 2013)

Neutrinos Help Reconcile Planck Measurements with the Local Universe
Mark Wyman et al.
Phys. Rev. Lett. 112, 051302 (6 february 2014)

Evidence for Massive Neutrinos from Cosmic Microwave Background and Lensing Observations
Richard A. Battye and Adam Moss
Phys. Rev. Lett. 112, 051303 (6 february 2014) 

New Neutrino May Have Heated Baby Universe
Adrian Cho
Science Vol. 343 no. 6173 pp. 826-827  (21 February 2014)

5 commentaires :

david durand a dit…

Super comme toujours.

Dr Eric SIMON a dit…

merci !

haloscopy a dit…

Bonjour,

qu'entendez-vous "la valeur de la constante de Hubble estimée localement " ? Est-ce de nos jours, ou au temps du CMB sur une plus petite portion d'Univers ?
Car si cette mesure est actuelle, comme la "constante" (la valeur ? le nombre ? la variable ?) de Hubble varie dans le temps, j'ai du mal à comprendre comment il pourrait y avoir une inadéquation entre une mesure avec des paramètres récents et une mesure au temps du CMB. Il me semble qu'il faudrait alors changer le scénario entre le CMB et le temps de la mesure pour arriver à cette nouvelle valeur.
A moins que Planck soit en désaccord avec d'autres mesures du CMB, telles que COBE, WMAP ou BICEP-2 ?

Dr Eric SIMON a dit…

Je parle bien ici de H0 (constante de Hubble d'aujourd'hui) , qui peut être déduite à partir des mesures du CMB par Planck et par d'autres moyens observationnels plus localement dans l'espace-temps.

haloscopy a dit…

Justement, s'il y a inadéquation entre les résultats, c'est-ce pas parce que le scénario entre les différents points d'espace-temps serait à revoir ?
(Je me fais l'avocat du Diable, mais l'excitation d'une découverte de neutrino stérile donne envie d'éviter les faux positifs.)