L'étau se resserre autour des neutrinos du cosmos

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.

Les chercheurs ont exploité les spectres de près de 200 000 quasars lointains mesurés par le projet eBOSS du Sloan Digital Sky Survey (SDSS), qui leur ont permis de cartographier la répartition de l'hydrogène à des époques très reculées de l'histoire de notre univers, 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 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 des neutrinos cosmiques, au point d'avoir leur mot à dire sur la façon dont sont ordonnées les différentes masses des trois neutrinos du modèle standard.

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 central, quelques millions à milliards de fois plus lourd que notre Soleil, chauffe la matière qui s'y engouffre et émet alors autant de lumière qu'une galaxie 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 par l'hydrogène qui constitue l'essentiel du milieu intergalactique. Les marques laissées par cette absorption 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 des effets pouvant altérer le résultat, l'équipe du DPhP a obtenu la mesure la plus précise à ce jour des propriétés statistiques 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.

La masse des neutrinos du modèle standard:

Ces résultats sont cruciaux sur plusieurs points. Pour les neutrinos cosmiques tout 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. 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, 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, et peuvent en déduire leur masse. Grâce à une analyse conjointe des dernières mesures du SDSS et du satellite Planck, 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 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 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.

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 astrophysiques en rayons X d'amas de galaxies par le satellite 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

Contacts:
- Nathalie Palanque-Delabrouille,
- Christophe YECHE