Fond cosmologique de neutrinos - Définition
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Introduction
Le fond cosmologique de neutrinos représente l'ensemble des neutrinos qui ont été produits lors du Big Bang. Ils représentent en nombre et en énergie totale la très grande majeure partie des neutrinos de tout l'univers. L'énergie individuelle des neutrinos cosmologique est par contre très faible. Elle est du même ordre que celle des photons du fond diffus cosmologique, soit environ 0,2 milliélectron-volt si leur masse est nulle. La détection du fond diffus cosmologique s'avère donc effroyablement difficile : il n'existe pas de moyen efficace permettant de faire intéragir des neutrinos aussi peu énergétiques avec un type de détecteur connu.
Propriétés
Le fond cosmologique de neutrinos représente les neutrinos formés lors du Big Bang. Aux tout premiers instants de l'histoire de l'univers, ceux-ci étaient en équilibre thermique avec la matière et le rayonnement environnant. La distribution d'énergie de ces neutrinos était donc celle d'un corps noir, de température identique à celle du rayonnement. Alors que l'expansion de l'univers se poursuit, la température du rayonnement et celle des neutrinos baissent de concert. Vient l'époque où la température et la densité des neutrinos deviennent trop faibles pour que ceux-ci continuent à interagir avec le reste de l'univers. Cette époque est appelée découplage des neutrinos, et s'est produite quand la température était de l'ordre de 1 mégaélectronvolt (10 milliards de degrés). Peu après, lorsque la température descend en dessous de 0,5 MeV, l'équilibre qui existait entre électrons et positrons est rompu, et toutes les paires électron-antiélectron disponibles s'annihilent. C'est l'annihilation électrons-positrons. Cette annihilation se fait presque exclusivement par production de photons. De l'énergie est donc injectée par ce processus dans le rayonnement et non dans les neutrinos. Ainsi, ceux-ci voient leur température non affectée par ces annihilations, alors que celle du rayonnement est augmentée d'un facteur que l'on sait calculer,
En termes de densité d'énergie, le fond cosmologique de neutrinos contribue
Les neutrinos cosmologiques étant émis plus tôt que les photons du fond diffus cosmologique, ils proviennent d'une région très légèrement plus éloignée que ces photons. Pour les photons du fond diffus cosmologique, la région d'émission vue depuis la Terre est appelée surface de dernière diffusion, pour les neutrinos cosmologiques, on parle plus généralement de neutrinosphère.
Neutrinos cosmologiques et matière noire
Le fond cosmologique de neutrinos a un temps été considéré comme étant la source de la matière noire : si les neutrinos possèdent une masse faible mais non nulle, alors leur grand nombre pourrait leur donner une masse totale suffisante pour jouer le rôle de matière noire. Cette hypothèse, séduisante jusqu'au début des années 1990, a été abandonnée quand les observations ont révélé que la matière noire devait nécessairement être « froide », c'est-à-dire non relativiste, depuis très longtemps (voir Formation des grandes structures). Or les neutrinos, pour rendre compte de la matière noire, devaient avoir une masse de l'ordre de quelques dizaines d'électronvolts, trop faible pour leur assurer d'avoir été non relativistes suffisamment tôt dans l'histoire de l'univers. Il demeure possible que les neutrinos aient une masse suffisante pour contribuer légèrement à la matière noire. Le modèle standard de la cosmologie met cependant désormais des contraintes très fortes sur la masse totale des neutrinos par cette méthode : la masse totale des trois types de neutrinos connus est ainsi contrainte (2006) à être inférieure à 0,68 électronvolt.
