Chasse à la matière noire

Vue de bas en haut de la grande expérience souterraine de la matière noire au xénon

C'est dommage pour les pauvres physiciens à la recherche de matière noire - une substance exotique, dont environ un quart de toute la matière dans l'espace se compose, n'interagissant avec le reste de l'Univers que par gravité et interaction faible. Et une semaine ne passe pas sans un nouveau soupçon de physiciens taquinant la matière noire, surgissant à la limite de l'erreur statistique, puis disparaissant, brisant leurs espoirs.

Pour rechercher la matière noire, un grand nombre d'expériences sont effectuées, une soupe entière à partir des abréviations, et chacune utilise sa propre technique et technologie. Les physiciens doivent donc chercher quelque chose dont les propriétés exactes leur sont inconnues. Le problème est que, bien que plusieurs indices de matière noire aient été découverts au cours de plusieurs expériences, ils ne sont pas cohérents les uns avec les autres. Si vous mettez les résultats de différentes expériences dans différentes couleurs sur un même graphique, cela ressemblera à de l'art abstrait.

Il y a 6 ans, Juan Colard de l'Université de Chicago était plein d'espoir pour la détection précoce de la matière noire. Mais chaque résultat ultérieur semblait indiquer une nouvelle direction. Il n’est pas surprenant qu’il commence son rapport en paraphrasant The Big Lebowski: «Nous sommes nihilistes, nous ne croyons à rien».

"Au cours des dernières années, il semble que nous poursuivions notre propre queue", a déclaré Kolar dans une interview.

La bonne nouvelle est que peut-être quelque chose picore à nouveau. Les physiciens voient des signes dans les cieux et dans les profondeurs souterraines et recherchent d'autres signes dans le Grand collisionneur de hadrons, qui participe également à la chasse à la matière noire. Le murmure sur la matière noire devient plus fort et plusieurs signaux semblent commencer à converger. La mauvaise nouvelle est que ces indices ne sont toujours pas cohérents et que chacun n'est pas trop fiable, selon Kathryn Zurek de l'Université du Michigan. De nombreux physiciens sont sceptiques quant à la présence de signes de matière noire. Certains sont généralement accros au nihilisme, comme Kolar, qui a déclaré: "Il est difficile de ne pas être nihiliste, étant donné la façon dont les choses se passent."

Matière mystérieuse

La matière visible habituelle - planètes, étoiles, galaxies, tout le reste - ne représente que 4,9% de tout ce qui se trouve dans l'Univers. La majeure partie, 68,3%, est constituée d'énergie noire, responsable de l'expansion accélérée de l'espace. Le reste - 26,8% - est constitué de matière noire.

Si les physiciens ne savent pas exactement ce qu'est la matière noire, ils sont sûrs de son existence. Le concept est né en 1933 lorsque Fritz Zwicky a analysé les vitesses des galaxies dans un cluster et est arrivé à la conclusion que l'attraction gravitationnelle exercée par la matière visible ne peut pas empêcher les galaxies se déplaçant à des vitesses élevées de s'échapper du cluster. Des décennies plus tard, Vera Rubin et Kent Ford ont trouvé une autre preuve de la «matière noire» de Zwicky en observant des étoiles tournant au bord des galaxies. Les étoiles étaient censées se déplacer plus lentement, plus elles étaient éloignées du centre des galaxies, tout comme les planètes extérieures de notre système solaire tournent plus lentement autour du soleil. Au lieu de cela, les étoiles externes se sont déplacées aussi rapidement que les étoiles plus près du centre, mais les galaxies ne se sont pas dégradées. Quelque chose a complété l'attraction gravitationnelle.

La matière noire n'était pas la seule explication. Il était peut-être nécessaire de fixer le modèle de gravité d'Einstein. De nombreux modèles alternatifs ont été proposés, tels que MOND (dynamique newtonienne modifiée). Rubin elle-même était une fois encline à cela, et a déclaré dans une interview avec New Scientist en 2005 que "c'était une option plus attrayante que l'Univers rempli d'un nouveau type de particules sous-nucléaires".


La masse totale des balles dans l'amas de Bullet est beaucoup plus petite que la masse de deux nuages ​​dans l'amas, composé de gaz chaud émettant des rayons X (marqués en rouge). Les zones bleues, encore plus massives que toutes les galaxies et les nuages ​​ensemble, montrent la distribution de la matière noire

Mais la nature de côté est notre préférence esthétique. En 2006, l'image saisissante du Bullet Cluster (1E 0657-56) a mis fin à cette question. Sur celui-ci étaient visibles deux amas de galaxies qui se croisaient, et leurs gaz, entrant en collision, ont créé une onde de choc sous la forme d'une balle. Les résultats de l'analyse se sont révélés surprenants: du gaz chaud (matière ordinaire) s'est accumulé dans des formations plus denses au centre où la collision a eu lieu, et d'autre part, ce qui ne pouvait être que de la matière noire accumulée. Lorsque les amas entrent en collision, la matière noire passe à travers, car elle interagit très rarement avec la matière ordinaire.

«Je pense qu'à ce stade, nous pouvons être sûrs de l'existence de la matière noire», explique Dan Hooper, physicien à l'Université de Chicago. "Pour autant que je sache, pas une seule théorie de la gravité modifiée n'explique cela."

Un des principaux candidats pour les particules de matière noire est la classe des particules massives à faible interaction, WIMP, semblable à une autre particule subatomique, un neutrino, qui interagit également rarement avec d'autres matières. Après la découverte du boson de Higgs , une ère de la physique des particules a pris fin et l'attention du public se tourne vers une nouvelle découverte majeure. Le cosmologiste Michael Turner de l'Université de Chicago a déclaré qu'il considérait cette décennie comme la décennie WIMP .

Signal / bruit

La plupart des théoriciens étaient initialement enclins à la variante lourde de WIMP et pensaient que la matière noire se composait de particules pesant environ 100 GeV. Les masses de particules subatomiques sont mesurées en unités d'énergie de masse, électron-volts. Par exemple, la masse d'un proton est de 1 GeV. Mais les dernières preuves semblent soutenir l'option des particules légères, dans lesquelles leur masse est comprise entre 7 et 10 GeV. De ce fait, leur enregistrement direct est difficile, car de nombreuses expériences reposent sur la mesure du recul du noyau.

De telles expériences sont généralement menées profondément sous terre - afin de mieux filtrer les rayons cosmiques, qui peuvent facilement être confondus avec des signaux de matière noire. Ils impliquent un détecteur avec un matériau cible soigneusement sélectionné, par exemple, des cristaux de germanium ou de silicium, ou du xénon liquide. Ensuite, les physiciens attendent de rares cas de collision de particules de matière noire et de noyaux atomiques du matériau cible. Cela devrait entraîner des flashs de lumière, et s'ils sont suffisamment brillants, le détecteur les enregistrera.

Cela signifie que pour détecter une particule de matière noire, elle doit transporter suffisamment d'énergie pour produire un signal dépassant le seuil de sensibilité du détecteur lorsqu'elle entre en collision avec le noyau. Et les WIMP légers sont moins susceptibles de le faire. Neil Weiner de NYU dit que la différence dans les scénarios WIMP est la même que la différence entre les collisions entre deux boules de bowling et une balle de ping-pong avec une boule de bowling. «Une particule cinétiquement lourde est beaucoup plus facile à transférer une telle énergie que la lumière», dit-il.

Comment les physiciens recherchent-ils la matière noire? Regardez les rafales dans les données collectées par les détecteurs. La force du signal est déterminée par le nombre d'écarts statistiques standard, ou sigma, par rapport à la valeur de fond attendue. Cette métrique est souvent comparée à une pile de pièces plusieurs fois de suite. Le résultat de trois sigma est déjà un indice sérieux, équivalent à la perte d'une pièce d'un côté neuf fois de suite.

Beaucoup de ces signaux sont atténués ou disparaissent, devenant statistiquement moins importants avec l'arrivée de nouvelles données. L'étalon-or de découverte est de cinq sigma , l'équivalent de tomber en 21 queues d'affilée. Si plusieurs personnes lancent des pièces en même temps, et que tout le monde a une queue plusieurs fois de suite - ou si plusieurs expériences trouvent un signal de trois sigma dans un écart de masse - même un résultat improbable devient possible.

Certains des indices de matière noire se situent dans la zone délicate de 2,8 sigma. "Tous ces résultats prometteurs pourraient être rejetés en une semaine", a déclaré Matthew Buckley du National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi (Fermilab). "Mais de telles choses commencent toujours par des indices." Lorsque vous collectez plus de données, l'indice devient statistiquement plus significatif. »

Le bruit de fond complique la tâche. «Vous cherchez un« signal ». «Le fond» est tout ce qui ressemble à votre signal et le rend difficile à trouver », a écrit Matthew Strasler, physicien à l'Université Rutgers, sur un blog en juillet 2011 . Il a ajouté plus tard: «Si vous ne tenez pas compte du petit arrière-plan, il se manifestera généralement sous la forme de collisions supplémentaires à basse énergie, qui ressembleront beaucoup à des WIMP légers. En d'autres termes, la matière sombre et claire ressemble à un signal erroné. »

Strasler a comparé la tâche à essayer de trouver un groupe de personnes dans une pièce remplie de gens . Si vos amis porteront les mêmes vestes rouge vif et que tout le monde portera des vêtements d'autres couleurs, il sera facile de trouver un signal. Si d'autres personnes portent également des vestes rouge vif, des groupes aléatoires d'étrangers cacheront le signal. Imaginez que vous avez incorrectement estimé le nombre de personnes en vestes rouges, ou même que vous êtes daltonien. Dans tous ces cas, vous tirerez la mauvaise conclusion: que vous avez trouvé vos amis alors qu'en fait, le signal est un groupe aléatoire d'étrangers.

Preuve pour aujourd'hui

Malgré ces défis, diverses expériences ont conduit à des résultats prometteurs, quoique controversés. Il y a plus de dix ans, l'expérience DAMA / LIBRA (recherche de matière noire à l'aide d'un détecteur à l'iodure de potassium additionné de thallium), située au fond de la montagne du Gran Sasso d'Italia, dans le centre de l'Italie, a trouvé de petites fluctuations dans le nombre de collisions par an. Un groupe de scientifiques a déclaré avoir découvert une particule de matière noire sous la forme d'un WIMP léger pesant environ 10 GeV.


DAMA / LIBRA

D'autres physiciens ont émis de sérieux doutes. Bien que le signal de DAMA / LIBRA soit vraiment, il pourrait être la preuve d'autre chose. Le fait que dans une autre expérience, XENON10 , situé dans les entrailles de la même montagne, n'a pas réussi à détecter le signal dans le même intervalle d'énergie, n'a pas aidé. La même chose s'est produite avec l'expérience CDMSII , menée dans une mine profonde au Soudan, au Minnesota. Les deux expériences récentes étaient suffisamment sensibles pour détecter un signal d'une telle énergie si le résultat DAMA / LIBRA était vraiment lié à l'énergie sombre.

Une autre expérience, CRESST , a détecté un signal. Mais il ne correspondait pas entièrement au signal de DAMA / LIBRA, et son analyse ne pouvait pas prendre en compte tous les bruits de fond possibles pouvant émuler le signal souhaité. De plus, DAMA / LIBRA a irrité les scientifiques en refusant de partager les données avec le public afin que d'autres puissent les étudier.

Lorsque l'on discute des différences entre les expériences, les passions bouillent souvent. «Il arrive que vous fassiez un rapport sur la matière noire, et tout cela se termine par un combat», explique Buckley.

Mais le résultat du groupe italien de scientifiques s'est avéré assez stable. Kolar, avec d'autres critiques ardents, a décidé de prouver l'erreur des découvertes DAMA / LIBRA en organisant une expérience appelée CoGeNT . En 2011, ce plan s'est effondré, une analyse préliminaire des données du CoGeNT ayant confirmé les résultats.

«Nous avons construit CoGeNT avec l'intention d'exposer DAMA, et maintenant nous sommes soudainement coincés dans le même espace de paramètres», explique Kolar. Cependant, en raison d'un incendie dans la mine du Soudan où l'expérience a eu lieu, les premières découvertes ont été obtenues à partir de données couvrant une période de seulement 15 mois. Et ils montrent un autre signal de 2,8 sigma. Maintenant, l'équipe Kolar analyse les données obtenues pour les trois ans et demi de l'expérience, ce qui devrait renforcer ce signal - s'il est réel.


Expérience CoGeNT

Les doutes n'ont pas disparu. Les résultats du CDMSII montrent trois événements de la même région de 10 GeV. Deux ans plus tôt, deux événements similaires à la matière noire ont été enregistrés sur CDMSII, mais après une analyse minutieuse, ils ont été rejetés. Cette fois, «nous avons eu trois événements clairs», explique Zurek.

«Si quelqu'un voyait de la matière noire, ce serait comme ça», dit-elle. Mais du fait qu'ils sont toujours à la limite de 2,8 sigma, "personne ne croira que ces trois événements étaient dus à la matière noire jusqu'à ce que quelqu'un d'autre le voie". Les dernières preuves ont déjà incité les physiciens avec XENON10 à revoir leur analyse et à conclure qu'ils avaient rejeté à tort les indices des WIMP légers trouvés sur DAMA / LIBRA.

Du coup, la variante légère WIMP est au moins probable, et est confirmée par l'analyse de Hooper des rayons gamma émis depuis le centre de notre Voie lactée, montrant des indices d'un signal de matière noire correspondant à la variante 10 GeV.

Mais ce n'est pas la seule option. WIMP sans dynamique intéressante - quelle que soit leur masse - n'est que la version la plus simple de la matière noire. Il peut y avoir plusieurs types de particules de matière noire, avec différents types d'interactions par le biais des forces obscures qui constituent l'ensemble du "secteur sombre" de l'Univers, que les théoriciens commencent à peine à explorer. Weiner pense que les modèles à puissance sombre sont «le moyen le plus simple d'expliquer certaines de ces anomalies», mais il prévient que la démonstration expérimentale est encore loin. Zyurek est d'accord: «En principe, nous pouvons écrire n'importe quel nombre de théories, mais la nature n'aura qu'à en choisir une», dit-elle.

Quand pouvons-nous savoir si tous ces indices sont réels? Peut-être au cours de l'année, il faudra peut-être attendre beaucoup plus longtemps. Cependant, les physiciens qui tentent de trouver de la matière noire pourraient bientôt rencontrer des restrictions plus pragmatiques: des coupes budgétaires. Une variété d'expériences est importante pour les recherches. "Puisque nous ne savons pas par quelle physique des particules la matière noire interagit avec la normale, plusieurs expériences différentes minimisent le risque de manquer de matière noire en raison d'un mauvais choix, et si quelque chose est trouvé dans plusieurs expériences, il sera possible de rejeter les modèles théoriques beaucoup plus rapidement", dit Buckley. Cependant, toutes les expériences sont nécessaires pour communiquer les résultats au département américain de l'Énergie, et seuls 2 à 3 d'entre eux pourront survivre.

«Le ministère met les choses en ordre», explique Kolar. - La diversité est bonne, mais le montant d'argent est limité. Si les détecteurs en construction tombent en panne, il sera très difficile de trouver la motivation pour continuer. »

Note du traducteur; depuis l'écriture de l'article original:

• Le détecteur CRESST a été mis à jour en 2015, augmentant la sensibilité de 100 fois afin de pouvoir désormais détecter des particules de matière noire d'une masse approximativement égale à la masse du proton. Il est remplacé par l'expérience de l'European Underground Rare Event Calorimeter Array (EURECA).
• Détecteur CDMSII remplacé par un détecteur SuperCDMS de nouvelle génération
• Les résultats de l'expérience CoGeNT ont été traités et il a été conclu que les signaux reçus reçus en tant que WIMP n'étaient pas pris en compte pour le bruit de fond.
• En 2016, le détecteur XENON10 a été remplacé par le XENON1T plus sensible, augmentant la sensibilité de 100 fois.
• Pour reproduire le capteur DAMA / LIBRA en Australie, le Laboratoire de physique souterraine de Stawell (SUPL) est en construction.
• En février 2017, aucune preuve convaincante n'avait été obtenue concernant la détection de particules de matière noire.