La matière noire constitue l'un des grands mystères de la cosmologie moderne. Invisible mais omniprésente, elle façonne la formation des galaxies et la structure de l'Univers par sa seule gravité. S'il est admis qu'il s'agirait d'une particule, au même titre que le quark ou l'électron, plusieurs décennies de recherches expérimentales n'ont abouti, à ce stade, à aucune observation directe.
Une nouvelle piste théorique, développée par Yann Mambrini, chercheur à IJCLab et ses collaborateurs propose aujourd'hui de revisiter en profondeur le scénario de naissance de la matière noire, en la replaçant au cœur des toutes premières fractions de seconde de l'Univers.
La collaboration entre IJCLab et l'université du Minnesota a présenté sa théorie "UFO", pour
Ultra-relativistic Freeze-Out en décembre 2025 dans la revue
Physical Review Letters. Pour la comprendre, il faut revenir sur les événements qui ont structuré l'Univers Primordial, soit les mystérieux premiers instants de l'Univers.
Selon les théories les plus probantes, l'Univers aurait connu une phase d'inflation spectaculaire entre 10
-36 et 10
-33 secondes après le Big Bang, pendant laquelle l'Univers aurait enflé d'un facteur d'au moins 10
26. L'inflation aurait abouti à la formation d'un plasma primordial, bain thermique duquel auraient émergé la majorité des particules de l'Univers.
C'est dans ce plasma initial que les scientifiques situent en général la production de la matière noire, supposée "froide" et générée en équilibre thermique avec la matière ordinaire. L'énergie du plasma produirait de la matière noire en quantités égales avec cette matière observable, jusqu'à ce que la production de matière noire décroche lorsque l'énergie du plasma n'est plus suffisante pour produire les deux.
Cette hypothèse est séduisante pour les théoriciennes et théoriciens dans la mesure où elle prévoit une matière noire à la fois suffisamment froide (et donc statique) pour offrir une charpente aux grandes structures cosmiques, tout en étant moins dense que la matière ordinaire.
Les célèbres WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), des particules massives qui interagiraient avec la matière ordinaire par le biais de l'interaction faible, reposent sur ce schéma. Mais, après des décennies de quêtes, l'absence persistante de signal dans les expériences de détection directe tend à fragiliser cette hypothèse. "
À travers les décennies, les expériences ont étendu les zones d'exclusion jusqu'à rendre l'existence de WIMPs hautement improbable, précise Yann Mambrini.
Cette tension nous motive à changer notre regard sur les mécanismes de production de la matière noire et en particulier leur temporalité".
C'est précisément ce que propose la théorie UFO échafaudée par cette équipe. Elle suggère que de la matière noire aurait été engendrée très tôt, avant même que le plasma initial ne se soit formé, par désintégration des inflatons, des particules hypothétiques qui seraient responsables de l'inflation brutale de l'Univers. Cette matière serait initialement "ultra-relativiste", soit très chaude et extrêmement rapide, mais son énergie se serait aussitôt diluée par l'expansion brutale de l'Univers primordial.
Résultat, elle se serait refroidie presque instantanément, devenant compatible avec la formation des grandes structures cosmiques. "
La matière que nous proposons est plus chaude, mais elle se dilue si vite qu'elle perd son énergie bien plus tôt qu'on ne l'imaginait, parcourant très peu de distance, ce qui permet aux galaxies de se former autour d'elle", détaille Yann Mambrini.
Les mécanismes de formation de cette matière noire "UFO" contraignent les propriétés physiques des particules qui pourraient y correspondre. Plus légères que les WIMPs traditionnels, avec des masses de l'ordre du MeV, les particules proposées par cette théorie conserveraient un couplage non-négligeable avec la matière ordinaire, à travers l'interaction faible, contrairement aux scénarios dits "FIMP" (Feebly Interacting Massive Particles", en vogue depuis plusieurs années mais dont les interactions extraordinairement faibles n'autorisaient pas d'observations.
Heureux hasard: la masse et la gamme d'interaction de ces particules autoriseraient leur détection par certains dispositifs de détection de matière noire en cours ou à l'état de projet. "
Après avoir passé plusieurs années à étudier le lien entre formation du plasma primordial et matière noire, le fait que notre résultat soit à la fois cohérent et testable expérimentalement est extrêmement stimulant", se félicite Yann Mambrini.
Parmi les expériences candidates, on pense notamment à XENON, en fonctionnement depuis plusieurs années, DAMIC-M, dont un prototype est actuellement en action, ou TESSERACT, qui sera installé dans quelques années au LSM. Un ajustement des réglages de ces expériences suffirait pour partir à la chasse de ces prometteurs "UFO".
À plus long terme, la production directe de particules de type UFO pourrait même être envisagée dans les accélérateurs de particules, via la recherche de signatures d'énergie manquante. Un travail expérimental seul à même de valider cette théorie, ou de l'infirmer, comme bon nombre de modèles de matière noire avant elle.