Pendant quarante ans, les physiciens ont cherché une matière noire « froide ». Une équipe incluant Yann Mambrini, chercheur en physique théorique à IJCLab, démontre qu'elle aurait pu naître à des vitesses proches de la lumière, avant de se refroidir. Ce renversement de perspective, publié dans Physical Review Letters, propose un nouveau mécanisme de production qui prédit une matière noire légère, aux interactions faibles mais détectables. Une cible idéale pour les expériences DAMIC-M et TESSERACT.
En couverture : un anneau de matière noire dans le cluster de galaxies ZwCl0024+1652. Credit photo : NASA, ESA, M. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)
La matière noire doit être « froide » : ce postulat guide la recherche depuis les années 1980. Trop rapide, elle n'aurait pas pu s'agglomérer pour former les structures que nous observons aujourd'hui. C'est pourquoi deux candidats étaient considérés. D’un côté les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), ces particules hypothétiques, relativement lourdes, auraient été en équilibre thermique avec l'univers primordial avant de « geler » quand la température a chuté. Leurs interactions, bien que faibles, devraient être détectables. De l'autre, les FIMPs (Feebly Interacting Massive Particles) : leurs interactions sont si infimes qu'elles n'atteignent jamais l'équilibre thermique et s'accumulent progressivement dans l'univers. Cette production par « freeze-in » les rend quasi impossibles à observer directement. Pourtant, malgré des détecteurs toujours plus sensibles, aucun WIMP n'a été observé. Les FIMPs, eux, échappent par nature à toute détection. Cette double impasse a conduit Stephen Henrich et Keith Olive (Université du Minnesota), en collaboration avec Yann Mambrini (IJCLab), à réexaminer une idée ancienne.
Un changement de paradigme
Dès 1966, Gershtein et Zeldovich avaient proposé que la matière noire puisse « geler » à des vitesses relativistes, comme les neutrinos. L'idée fut rapidement abandonnée : une matière noire aussi rapide empêcherait la formation des galaxies. Pendant quarante ans, personne n'a pensé à réexaminer cette hypothèse.
Les modèles standard considèrent que le « réchauffement » suivant l'inflation cosmique est instantané. En abandonnant cette hypothèse, tout change : si la matière noire découple pendant cette phase de réchauffement, elle peut naître ultra-relativiste puis se refroidir naturellement. L'univers s'étend en effet plus vite que les particules ne se déplacent, diluant leur énergie cinétique avant la formation des galaxies.
Ce mécanisme, baptisé UFO (Ultra-relativistic Freeze-Out), ne prédit pas une nouvelle particule mais un nouveau mode de production. Il aboutit à une matière noire aux caractéristiques intermédiaires : plus légère que les WIMPs classiques, avec des couplages plus forts que les FIMPs. Autrement dit, une matière noire à la fois légère (entre quelques keV et quelques GeV) et détectable.
IJCLab en première ligne pour la détection
L'expérience DAMIC-M, au Laboratoire Souterrain de Modane, a publié en mars 2025 les meilleures contraintes mondiales sur les interactions matière noire/électrons pour des masses entre 1 MeV et 1 GeV, précisément la gamme prédite par le modèle UFO. L'équipe d'IJCLab contribue à plusieurs composants clés du projet (blindage, l'installation et à l'analyse des données).
L'expérience TESSERACT, collaboration internationale incluant IJCLab, IP2I Lyon et LPSC Grenoble, prépare la génération suivante. Ses capteurs supraconducteurs, fonctionnant à 8 millikelvins, ont déjà sondé des masses jamais explorées (44 à 87 MeV). Le détecteur complet sera installé au LSM vers 2029.
Ce scénario ouvre une fenêtre inédite sur la phase de réchauffement post-inflation, une période jusqu'ici inaccessible à l'observation. Les expériences de détection directe pourraient ainsi révéler non seulement la nature de la matière noire, mais aussi les conditions extrêmes qui régnaient une fraction de seconde après le Big Bang.
En savoir plus :
Référence S.E. Henrich, Y. Mambrini, K.A. Olive, Physical Review Letters 135, 221002 (2025). DOI: 10.1103/zk9k-nbpj https://arxiv.org/pdf/2511.02117
Dans les médias :
Presse :
- SciNews - « Physicists Challenge Long-Held Assumptions about Nature of Dark Matter »
- SciTechDaily — « The Big Bang's Biggest Mystery: Dark Matter May Have Been Red Hot at Birth »
- Innovation News Network — « Dark matter may have begun much hotter than scientists thought »
- Science Daily — « Early universe dark matter born red hot before cooling »
- Space Daily — « Early universe dark matter born red hot before cooling »
- Phonandroid — « La matière noire pourrait venir d'une phase brûlante de l'univers primitif »
- Le Figaro — « La théorie du gel ultrarelativiste : une nouvelle hypothèse sur les origines de la matière noire »
- The Brighter Side — « Scientists reveal how dark matter formed in the early universe and why it's still here »
- Berliner Zeitung — « Dunkle Materie könnte bei ihrer Entstehung extrem heiß gewesen sein »
- Correio Braziliense — « Nova teoria desafia conhecimento sobre matéria escura »
- Cikavosti — « Nova teoriya zminyuye uyavlennya pro pokhodzhennya temnoyi materiyi »
- Académie polonaise des sciences — « Fizycy podważają klasyczny model ciemnej materii »
Radio :
- Alternantes FM — « Un parcours dans l'espace-temps »
- Descopera — « Materia întunecată mai fierbinte la începutul universului decât se credea până acum »
Podcast :
Vidéo :