Matière et énergie noires
  Particules exotiques et supersymétrie


Elle a longtemps fait la Une de l’actualité. Les observations de la rotation des galaxies, des amas, du gaz chaud sous-jacent et du fond d’ondes radio primordiales indiquent que la matière sombre pèse pour un quart de la densité du cosmos. Cependant, exit les naines brunes et les neutrinos lourds. La matière noire serait constituée de particules massives, d’un genre bien exotique et nouveau : le monde de la supersymétrie.

"Le consensus – ou modèle de concordance – des scientifiques indique que la matière ordinaire représente 4,5% du contenu de l’Univers", rappelle Gabriel Chardin chercheur au CEA de Saclay (Essonne). "Reste un criant mystère", reprend-il, "de quoi se compose la fameuse matière noire, ou masse cachée, qui compte pour environ un quart du total?". Ici, les astrophysiciens rejoignent les physiciens en quête d’une théorie plus complète afin d'unifier les quatre interactions fondamentales de la nature (faible, forte, électromagnétique et gravitationnelle). Par chance, cet effort a mené à la supersymétrie.

De quoi s’agit-il ?
Le modèle standard de la physique repose sur une douzaine de particules élémentaires de matière : six quarks et six leptons, dont l’électron. Ces "fermions" possèdent un spin (nombre quantique de rotation) demi-entier et ils se différencient à l’échelle microscopique. Leur comportement est «asocial». On ne peut les rassembler dans le même état. Ils subissent une irrépressible répulsion et apprécient peu la vie de groupe. À l’inverse, les quatre forces fondamentales de l’Univers se manifestent par des échanges de corpuscules d’un autre type : les "bosons", de spin entier, sont «sociables». Ils s’assemblent volontiers de manière serrée. Les bosons supports de la force électromagnétique, des interactions nucléaires fortes et faibles, ou de la gravité sont : le photon, le gluon, les bosons W et Z, ainsi que le graviton. La supersymétrie est une opération mathématique proposée, entre autre, par Pierre Fayet de l’École normale supérieure de Paris. Elle agit sur les propriétés intrinsèques des particules et échange les rôles des fermions et des bosons. "Ainsi au monde concret de la matière, dans lequel nous sommes plongés, serait associé un ‘super-monde’ constitué de ‘super-particules’ du genre boson", explicite Gabriel Chardin. "Et les ‘super-forces’ seraient véhiculées par des fermions"…
Au final : "il existerait autour de nous, sans que l’on s’en aperçoive, un ‘deuxième monde’ image-miroir de celui que nous connaissons! Celui-ci se distingue par sa composition en particules massives et instables : les super-partenaires de nos quarks et électrons familiers."

Une manne de poids
Une providence pour les astronomes à la recherche de la matière perdue : le super-monde ne serait-il pas, justement, l’élément clef de la masse cachée? L’idée est séduisante. Elle a plus d’un attrait. Les super-particules sont lourdes. Elles interagissent peu. Selon les calculs, le deuxième monde devrait commencer à apparaître aux énergies du futur Grand collisionneur de hadrons, Large Hadron Collider LHC, à Genève. En attendant, les scientifiques se concentrent sur la particule super-symétrique la plus légère. Sa masse est estimée entre 10 et 1000 milliards d’électrons-volts. Neutralino, gravitino et photino… : les candidats à ce titre ne manquent pas. Propriété requise : la charge électrique doit être nulle. En outre, la super-particule la plus légère aurait le bon goût de s’avérer stable. Enfin, les probabilités d’interactions calculées suggèrent que les quantités reliques de cet objet - produit en masse dans le big bang - seraient aujourd’hui juste… ce qu’il faut pour générer la matière noire. Dans ces conditions, nombre d’expériences s’attachent à traquer cette composante obscure de façon directe ou indirecte. Edelweiss est enfouie à Modane sous le mont Fréjus, dans les Alpes françaises. Le télescope à rayons gamma Hess opère en Namibie. L’observatoire sous-marin à neutrinos Antarès est installé par 2 300 mètres de fond en Méditerranée. Et le détecteur d’anti-matière AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) sera embarqué sur la station spatiale internationale.