L'étau se resserre autour des neutrinos du cosmos
Publié par Redbran le 03/01/2020 à 14:00
Source: CEA IRFU
Une équipe du département de physique des particules (DPhP) de l'Irfu, vient de mener l'étude la plus précise à ce jour portant sur la masse de neutrinos cosmiques, comprenant à la fois des neutrinos du modèle standard et des neutrinos stériles contribuant à la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies. Différentes hypothèses...).

Les chercheurs ont exploité les spectres de près de 200 000 quasars lointains mesurés par le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une...) eBOSS du Sloan Digital Sky Survey (SDSS), qui leur ont permis de cartographier la répartition de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) à des époques très reculées de l'histoire de notre univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), il y a dix à douze milliards d'années de cela.

Les neutrinos, se propageant à des vitesses relativistes durant des milliards d'années, empêchent la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) d'agir à petites échelles et lissent les structures (amas de galaxies, filaments,...) révélées par les spectres des quasars. Grâce à la précision des mesures, les chercheurs ont pu resserrer le domaine possible pour la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...) des neutrinos cosmiques, au point (Graphie) d'avoir leur mot à dire sur la façon dont sont ordonnées les différentes masses des trois neutrinos du modèle standard.


Télescope SDSS situé à l'Observatoire d'Apache Point au Nouveau Mexique aux Etats-Unis. Il permet entre autres d'étudier les quasars (crédit: Collaboration SDSS)

Encore plus de quasars avec le télescope SDSS:

Le SDSS a mesuré les spectres de près de 200 000 quasars. Ces astres sont de véritables monstres cosmiques dont la voracité du trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de...) central, quelques millions à milliards de fois plus lourd que notre Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est...), chauffe la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) qui s'y engouffre et émet alors autant de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) qu'une galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par...) entière. Les quasars sont ainsi parmi les sources les plus brillantes de l'Univers, visibles à des milliards d'années-lumière de nous. La lumière qu'ils émettent, il y a plus de dix milliards d'années, est partiellement absorbée sur sa trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) par l'hydrogène qui constitue l'essentiel du milieu intergalactique. Les marques laissées par cette absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est détruit lors de ce...) dans le spectre des quasars distants permettent de cartographier l'hydrogène cosmique. A partir d'une sélection stricte des spectres de quasars comportant l'information la plus robuste et moyennant une étude rigoureuse de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) des effets pouvant altérer le résultat, l'équipe du DPhP a obtenu la mesure la plus précise à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à...) des propriétés statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la...) de la répartition spatiale de l'hydrogène intergalactique. En outre, cette nouvelle publication remonte encore plus tôt dans l'histoire de l'Univers, en ajoutant de nouvelles mesures pour des quasars vieux de plus de 12 milliards d'années.



Les oscillations observées pour les neutrinos atmosphériques et les neutrinos solaires ne permettent de mesurer que la différence des masses au carré et non la masse absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol à température ambiante ou plus généralement par chauffe,...) des neutrinos. Si la masse la plus faible est quasi nulle, la somme minimale des masses des neutrinos compte deux fois le terme dm2 dans le cas de la hiérarchie de masse inversée, et une seule fois dans le cas de la hiérarchie normale.

La masse des neutrinos du modèle standard:

Ces résultats sont cruciaux sur plusieurs points. Pour les neutrinos cosmiques tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord. Ces particules sont les plus légères de la panoplie des physiciens des particules, et leur masse absolue n'est toujours pas connue. A ce jour seules des limites, supérieures ou inférieures (selon les techniques considérées) sont connues.

Or les neutrinos sont remarquablement abondants, pas moins de 360 neutrinos par cm3 dans l'Univers, presque autant que de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...). Se propageant à des vitesses relativistes durant des milliards d'années, les neutrinos ralentissent les effondrements gravitationnels qui donnent naissance aux galaxies et amas de galaxies (Un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la gravitation. En deçà de 100, on parle plutôt de groupe de galaxies, même si la frontière entre groupe et amas n'est...), mais aussi aux filaments d'hydrogène. Leur impact sur la répartition de la matière, et a fortiori de l'hydrogène, dans l'univers va les trahir. C'est par ce moyen que les chercheurs repèrent leur trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du Soleil et la géométrie du plasma coronal, à...), et peuvent en déduire leur masse. Grâce à une analyse conjointe des dernières mesures du SDSS et du satellite Planck (Planck est un satellite artificiel de l'Agence spatiale européenne qui doit être lancé en septembre 2008.), les chercheurs du DPhP ont pu établir que la somme des masses des trois espèces de neutrinos ne pouvait excéder 0.11 eV à 95% de confiance, limite ramenée à 0.09 eV lorsque l'on rajoute d'autres contraintes cosmologiques, telles que la mesure de l'échelle des Oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine.) Acoustiques Baryoniques, ou BAO.

A ce niveau de précision, le résultat obtenu défavorise le scénario selon lequel deux des trois espèces ne neutrinos se distingueraient par des masses sensiblement plus élevées (hiérarchie de masse dite inversée), ce qui conduirait à une somme de leurs masses d'au moins 0.10 eV, au contraire de l'hypothèse naturelle d'un seul neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) notablement plus lourd que les deux autres (hiérarchie de masse dite normale) et permettant une somme des masses de l'ordre de 0.06 eV seulement, comme le montre la figure ci-contre.


Simulations montrant l'impact de particules relativistes (tels des neutrinos ou de la matière noire tiède) sur la répartition de la matière dans l'univers. En haut: sans matière noire tiède ni neutrinos, en bas: avec des particules relativistes.

A la recherche de matière noire avec les neutrinos stériles:

Ces nouvelles mesures permettent également de renforcer notre compréhension de la nature de la matière noire, sous forme de "matière noire tiède". Il s'agit de particules de matière noire qui ont une masse de l'ordre du keV. Dans ce cas, leurs vitesses sont encore très importantes au tout début de la formation des structures, et le flot associé empêche la gravité d'agir à petite échelle, ce qui est visible à nouveau dans la répartition de l'hydrogène dans l'univers. Ces particules pourraient être des neutrinos stériles, hypothèse d'autant plus intéressante que des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) astrophysiques en rayons X d'amas de galaxies par le satellite (Satellite peut faire référence à :) XMM ont identifié une raie à 3.5 keV. Cette raie pourrait suggérer l'existence de telles particules avec une masse de 7 keV.

En étudiant un Univers encore plus lointain, et donc plus primordial, ces nouvelles mesures sont bien plus sensibles à l'existence de matière noire tiède sous forme de particules de masse de l'ordre du keV. Elles ont donné d'ailleurs, des limites plus de deux fois plus élevées que les publications antérieures. Ces mesures excluent les particules de matière noire tiède de moins de 10 keV ce qui correspond à des masses de neutrinos stériles de plus de 80 keV, dans le modèle le plus simple de production.

Publications:
The onedimensional power spectrum from the SDSS DR14 Lyman-alpha forests, JCAP 07, 017 (2019) – arXiv:1812.03554
Hints, neutrino bounds, and WDM constraints from SDSS DR14 Lymanalpha and Planck full-survey data, soumis à JCAP – arXiv:1911.09073

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- Christophe YECHE
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