Parmi tous les concepts mystérieux qui torturent encore les astrophysiciens, la matière noire fait assurément partie des plus iconiques. Cette catégorie de matière occupe une place très importante dans la science-fiction et l’imaginaire collectif, mais elle est aussi au centre de nombreuses hypothèses sur la dynamique du cosmos ; les spécialistes estiment qu’elle pourrait représenter entre 20 et 85 % de la matière totale de l’univers.
Malgré son importance capitale dans ces modèles, techniquement, elle demeure hypothétique ; jusqu’à présent, personne n’est parvenu à apporter une preuve directe. Et ce n’est pas faute d’avoir essayé ; plus de 50 expériences de pointe ont déjà tenté le coup.
Pour l’instant, seul le détecteur DAMA/LIBRA a produit des résultats intéressants. Mais leur interprétation reste sujette à débat ; il ne s’agit donc pas encore de la preuve irréfutable tant attendue. Par contre, celle – ci pourrait bien arriver avec la mise en route du LUX-ZEPLIN (LZ).
Un “oignon” ultrasensible pour détecter la matière noire
Il s’agit d’un détecteur ultrasensible construit par l’université de Sanford qui va traquer la matière noire avec une précision encore jamais vue. Physiquement, il prend la forme de plusieurs cuves de xénon liquide empilées les unes à l’intérieur des autres, un peu comme une poupée russe. En pratique, « le LZ est un oignon », explique Hugh Lippincott, l’un des responsables du projet à l’université de Santa Barbara.
Avec suffisamment de temps et de chance, une particule de matière noire pourrait percuter un atome de xénon par hasard. D’après les modélisations, ce petit boulet de canon nanométrique aurait pour effet d’arracher des électrons au noyau de l’atome. Cet impact produirait alors un minuscule signal électromagnétique que les chercheurs espèrent mesurer avec leur nouvelle machine, 100 fois plus sensible que son prédécesseur.
« Nous cherchons un signal qui correspond à une énergie très, très basse, même par rapport aux standards de la physique des particules », a expliqué Lippincott lors d’une conférence de presse. « C’est un processus extrêmement rare, à supposer qu’il soit visible », précise-t-il.
La chasse aux WIMP peut commencer
Et cette quête est d’autant plus compliquée que les scientifiques n’ont pas la moindre idée de la forme que pourraient prendre ces particules de matière noire. Une incertitude qui les force à choisir le modèle qui leur semble le plus prometteur tout en acceptant le risque de miser sur une approche stérile.
Dans le cas du LZ, ils ont mis de côté les approches basées sur les photons sombres ou les axions. À la place, ils se sont concentrés sur le modèle des WIMP (pour Weakly Interacting Massive Particle). Ce sont des particules hypothétiques qui disposent d’une certaine masse, mais qui n’interagissent pas avec la matière normale, ce qui pourrait participer à expliquer leur discrétion.
Tout récemment, la machine a bouclé sa première séquence opérationnelle de 60 jours. Elle a ainsi détecté 335 signaux jugés « prometteurs » par les spécialistes. Au bout du compte, aucun d’entre eux n’a trahi la présence d’une WIMP. Mais il s’agit tout de même d’un grand pas dans cette direction.
Aller de l’avant malgré les doutes
En effet, pour des travaux à ce point exploratoire, chercher un objet précis n’est pas encore une approche viable. L’intérêt de ces travaux, c’est qu’ils permettent de dégrossir le travail en procédant par élimination ; à chaque fois qu’ils tombent sur un signal qui ne correspond pas à une WIMP, les chercheurs peuvent avoir une idée un peu plus précise de la piste à suivre.
Après ce coup d’essai, le LZ va enfin passer aux choses sérieuses. D’après Gizmodo, il va désormais traquer les particules exotiques pendant trois ans environ ; de quoi récolter des milliers de signaux qui, dans l’idéal, finiront par trahir la présence d’une WIMP… à supposer qu’il s’agisse bien du support de la matière noire, ce qui est tout sauf garanti.
Mais malgré ce flou artistique, le jeu en vaut la chandelle. La découverte de cette matière serait assurément une étape majeure de l’histoire des sciences. Et il ne s’agit pas d’une exagération.
Cela permettrait de faire des progrès invraisemblables sur les modèles cosmologiques actuels. De quoi ouvrir la porte à une toute nouvelle ère de la physique fondamentale ; autant dire qu’il y a déjà un prix Nobel qui attend les premiers chercheurs à prouver l’existence de la matière noire. L’avenir nous dira s’il finira dans la besace des pères du LUX-ZEPLIN !
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