Matière noire et calcul de la densité relique

Abstract

De nombreuses observations cosmologiques tel que le comportement des vitesses de rotation des ´etoiles dans notre galaxie, les fluctuations du fond diffus cosmologique, et la distribution de masse des amas de galaxies, indiquent qu’il y a de grandes quantit´es de masse manquante dans l’Univers. Cette mati`ere sombre manquante n’interagit que par gravit´e. Elle pr´esente en fait une abondance cinq fois plus importante que la mati`ere visible dont est fait le monde qu’on peut palper autour de nous. De plus elle ne peut ˆetre d´ecrite par aucune des particules ´el´ementaires du mod`ele standard des interactions fondamentales. Donc elle trouverait plutˆot, son origine dans une autre forme de particules ´el´ementaires qui auraient aussi exist´e dans l’Univers primordial comme ce fut le cas pour les particules ´el´ementaires du monde visible, et qui aurait interagit avec ces derni`eres. Et qu’au cours de l’inflation de l’Univers ces particules du monde invisible se serait d´ecoupl´ees de celles du monde visible. Ceci aurait transform´e ces particules sombres en particules fossiles isol´ees dont la densit´e r´esiduelle serait en train de se diluer avec l’expansion de l’Univers. Et qu’actuellement cette densit´e relique a la valeur 0.1197 ±0.0022 tel que divulgu´ee par le satellite Planck. Dans ce m´emoire de master, on revient de fa¸con plus approfondie sur les caract´eristiques et le contexte de cette mati`ere noire ainsi que sur les diff´erents candidats qu’offre la physique des particules pour la d´ecrire. On s’attarde plus particuli`erement sur les nouveaux bosons scalaires que fourni le mod`ele du doublet scalaire inerte (IDM pour Inert Doublet Model). Puis, on ´etabli le lien avec la densit´e relique via deux sc´enarios. Le sc´enario du freeze-out impliquant des particules massives interagissant faiblement (WIMP pour Weakly interacting Massives Particles) initialement en ´equilibre thermiques avec les particules du mod`eles standard. Et le sc´enario du freeze-in impliquant des particules massives tr`es faiblement interagissant (FIMP pour Feebly Interacting Massive Particle) et en ´etats d’hors ´equilibre thermique. La proc´edure de calcul de la densit´e relique `a travers l’utilisation de l’´equation de Boltzman est explicit´ee dans chacun de ces deux sc´enarios. Puis, un passage au calcul num´erique est effectu´e `a travers l’utilisation du code MicrOmegas. Mots-cles : Cosmologie, Physique des particules, Matière noire, Equation de Boltzmann, Densité relique, Code MicrOmegas, IDM, Freeze-out, WIMP, Freeze-in, FIMP.