La recherche de la matière insaisissable arrive à sa limite
Pour la plupart des astronomes, la matière noire est aussi réelle que les étoiles et les planètes. Nous construisons régulièrement des cartes de sa distribution. Nous imaginons les galaxies comme des morceaux de matière noire avec de nombreux entrecoupés de matière lumineuse. Nous comprenons la formation de la structure cosmique et l'évolution de l'Univers entier dans son ensemble du point de vue de la matière noire. Cependant, au cours d'une décennie de recherches sophistiquées, personne n'a pu détecter directement la matière noire. Nous voyons l'ombre projetée par elle, mais nous n'avons aucune idée de ce qui pourrait se cacher dans la moitié sombre de l'univers.
Ce ne sont certainement pas des objets ou des particules ordinaires - cette option est depuis longtemps exclue. Les arguments théoriques plaident en faveur d'un nouveau type de particules qui interagissent faiblement avec la matière ordinaire. Un grand nombre de ces particules doivent traverser notre planète à chaque instant, et nous devons nous attendre à ce que certaines d'entre elles laissent une trace. Les physiciens ont fait pousser des cristaux, rempli des réservoirs cryogéniques, les ont enterrés profondément sous terre pour exclure les particules ordinaires, et ont recherché de minuscules impulsions de chaleur et des éclairs de lumière qui devraient donner quelque chose que nous n'avions jamais vu auparavant. Et jusqu'à présent, les résultats ne sont pas encourageants. À Lead, dans le Dakota du Sud, l'expérience LUX se déroule sur un mile et demi sous terre dans une mine d'or abandonnée. Et je n'ai rien trouvé. En Chine, l'expérience PandaX du laboratoire souterrain de Jin-Ping se déroule dans un tunnel sous une couche de pierre de 2,4 km d'épaisseur. Il n'a rien trouvé. Dans le tunnel routier près de Fréjus dans les Alpes françaises, l'expérience EDELWEISS, opérant à une profondeur de 1,7 km, n'a rien trouvé. Cette liste continue.
Les résultats zéro réduisent rapidement les zones de l'espace des paramètres dans lesquelles la matière noire peut être cachée. En raison du manque criant de données, les physiciens théoriciens ont commencé à avancer des théories sur des particules encore plus exotiques, mais la plupart de ces candidats seraient encore plus difficiles à détecter. On pourrait plutôt espérer obtenir des particules de matière noire à l'accélérateur de particules, et ainsi tirer une conclusion sur leur présence: en regardant pour voir si l'énergie s'est perdue lors des collisions de particules. Mais le Large Hadron Collider a fait exactement cela, et jusqu'à présent, il n'a rien trouvé de tel. Certains théoriciens soupçonnent qu'il n'y a pas de matière noire, et notre théorie de la gravité - la théorie générale de la relativité d'Einstein - nous a égarés. GTR nous dit que les galaxies se sépareraient si elles n'étaient pas maintenues ensemble par la matière invisible, mais peut-être que cette théorie est fausse. Cependant, la relativité générale a passé tous les contrôles observables, et toutes les théories concurrentes ont des défauts fatals.
Quatre-vingt-cinq pour cent de toute la matière nous est inconnue. Surtout, nous craignons qu'il en soit toujours ainsi.
Bien que la plupart des expériences n'aient rien donné, deux d'entre elles affirment avoir découvert de la matière noire. Les deux déclarations sont extrêmement controversées, mais pour diverses raisons. Ils peuvent se tromper, mais méritent un examen attentif. Ces cas, au moins, démontrent la difficulté de trouver de la matière noire parmi les placers de matière de l'espace.
Le détecteur de particules DAMA / LIBRA du Laboratoire national du Gran Sasso, situé dans un tunnel à 1,4 km sous la surface d'une montagne dans le nord de l'Italie, recherche des éclairs de lumière générés par des particules de matière noire diffusées à partir de noyaux atomiques dans un cristal d'
iodure de sodium . Il recueille des données depuis treize ans et a enregistré quelque chose d'inhabituel. Le nombre de détections de particules augmente et diminue de façon saisonnière; le maximum est en juin et le minimum en décembre.
C'est ce type de comportement que l'on peut attendre de la matière noire. On pense qu'il forme un vaste nuage enveloppant la galaxie de la Voie lactée. Notre système solaire dans son ensemble se déplace à travers ce nuage. Mais les planètes individuelles se déplacent à travers le nuage à différentes vitesses en raison de leur mouvement orbital autour du soleil. La vitesse de la Terre par rapport au nuage proposé connaît un maximum en juin et un minimum en décembre. Cela déterminerait la vitesse à laquelle les particules de matière noire volent à travers un détecteur situé sur Terre.
Personne ne nie que DAMA détecte la modulation saisonnière avec une signification statistique très élevée. Mais de nombreuses autres sources de particules fluctuent également en raison des saisons - par exemple, les écoulements des eaux souterraines (affectant la radioactivité de fond) ou la production de particules telles que les muons dans l'atmosphère. Selon les dernières estimations, cinq autres expériences dans le monde indiquent des limitations qui ne sont pas conformes aux affirmations de DAMA. La seule façon de vérifier les résultats est de répéter l'expérience avec le même détecteur à d'autres endroits, et plusieurs de ces expériences sont déjà en préparation. L'un d'eux sera situé au pôle Sud, où les effets locaux saisonniers sont déphasés et différents de ceux qui existent en Italie.
Le deuxième indice intrigant de matière noire provenait d'expériences indirectes, ne cherchant pas directement des particules insaisissables, mais des particules secondaires qu'elles étaient censées générer lors d'une collision entre elles et d'une annihilation ultérieure. En 2008, le détecteur
PAMELA (charge utile pour l'exploration d'antimatière / matière et l'astrophysique des noyaux légers), installé sur le satellite russe
Resurs-DK , et créé par des spécialistes de Russie, d'Italie, d'Allemagne et de Suède, a observé une le nombre de positrons - analogues d'électrons dans l'antimatière - provenant des profondeurs de l'espace. L'observation a été récemment confirmée par un
spectromètre magnétique alpha situé à bord de l'ISS. Pendant ce temps,
le télescope gamma de l'espace Fermi a rendu compte de la lueur diffusée des rayons gamma se propageant depuis le centre de la galaxie. Sa forme correspond à la matière noire - sphérique symétrique par rapport au centre de la galaxie, avec une intensité augmentant vers le milieu.
C'est presque trop beau pour être vrai. Malheureusement, les observations de positons et de rayons gamma peuvent également s'expliquer par des étoiles à neutrons en rotation rapide, des pulsars millisecondes. Les paramètres des positrons ne correspondent pas à des candidats appropriés pour la matière noire. Pour faire face à ce cas, il est nécessaire de vérifier si les positons proviennent des directions des étoiles à neutrons connues. Les fluctuations des rayons gamma ont déjà été attribuées aux nombreux pulsars faibles au centre de la galaxie. De plus, si les rayons gamma provenaient de la matière noire, les astronomes devraient détecter un signal similaire provenant des galaxies naines voisines, qui ont un volume proportionnellement plus important de matière noire que le nôtre. Aucun signal de ce type n'a été détecté.
La plupart des tentatives de recherche se concentrent sur les particules les plus simples, appelées
WIMP , qui interagissent faiblement avec des particules massives. Le mot «faible» a ici un double sens: l'interaction n'est pas forte et se produit à travers le soi-disant.
faible interaction nucléaire . Ces particules sont une extension naturelle du modèle standard en physique des particules. Sans même connaître tous les détails, l'adverbe «faiblement» vous permet de comprendre combien de telles particules devraient être dans l'univers. Dans la soupe préhistorique chaude du Big Bang, des particules ont été naturellement créées et détruites. Avec l'expansion de l'Univers, la température baisse et divers types de particules, selon la masse, cessent d'apparaître. Les particules peuvent continuer à être détruites à une vitesse qui dépend de la force de l'interaction, jusqu'à ce qu'elles soient distribuées trop rarement pour entrer en collision les unes avec les autres.
Étant donné la puissance de l'interaction WIMP, il est possible d'effectuer des calculs et de constater qu'une quantité observable de matière noire devrait apparaître dans le chaudron de l'Univers primitif. Les particules résultantes devraient peser des centaines de fois plus que le proton. D'après les calculs associés au modèle standard et à la supersymétrie, il existe une zone de paramètres appropriée pour les particules de matière noire - ce fait a été appelé «miracle WIM».
Mais c'est probablement le cas lorsqu'un fait laid tue une belle hypothèse. Le désespoir grandit parmi les physiciens et ils explorent déjà des options qui étaient auparavant considérées comme des opportunités de second ordre et improbables.
Peut-être que les particules de matière noire sont extrêmement massives. Il y a un compromis naturel - plus la particule est massive, moins elle est nécessaire pour correspondre à la masse totale observée par les astronomes, donc il peut y en avoir si peu que nos détecteurs ne les remarquent pas. Les physiciens auront besoin d'une stratégie de recherche complètement différente, possiblement liée à l'influence de ces particules sur les vieilles étoiles à neutrons ou d'autres objets célestes.
Inversement, les particules de matière noire peuvent être trop légères pour laisser des traces dans nos détecteurs. Les physiciens peuvent utiliser le détecteur dont nous disposons déjà pour leur recherche: le Soleil. Le soleil peut capturer des particules lorsqu'il se déplace à travers un nuage galactique de matière noire. Les particules peuvent être dispersées par les protons dans le Soleil et changer son portrait de température. Cela affectera le mouvement turbulent des tourbillons de gaz qui montent, tombent et se tordent dans les couches supérieures du Soleil. Et nous devons le détecter à l'aide de l'
héliosismologie , une science qui étudie les perturbations se propageant à l'intérieur du Soleil et leurs effets sur sa surface - tout comme la sismologie étudie les tremblements de terre. Il s'avère qu'en hélioséismologie, il existe des anomalies inexpliquées difficiles à concilier avec le modèle standard du Soleil.
Si les particules de matière noire s'accumulent au soleil, elles peuvent s'annihiler en son cœur. Cela conduira à l'apparition de neutrinos de haute énergie qui peuvent être vus par des détecteurs tels que
Super Kamiokande dans le centre du Japon et
IceCube au pôle Sud. Jusqu'à présent, aucun événement n'a été signalé pour ce rôle.
L'exemple le plus extrême d'une particule légère est un
axion , une particule hypothétique faiblement en interaction, avec une masse un billion de fois plus petite que celle d'un proton. Il ne sera pas complètement sombre, mais interagira avec le champ électromagnétique et pourra créer des photons micro-ondes à l'intérieur des creux de forts champs magnétiques. Les expériences tentant de détecter l'axion fonctionnent depuis les années 80 et n'ont pas plus de succès que les détecteurs WIMP.
Peut-être qu'une particule sombre n'est pas du tout une particule, mais une "particule", comme l'a dit un théoricien. Les non-particules sont des parents éloignés du champ électromagnétique, dont l'énergie n'est pas divisée en paquets séparés. Ils peuvent laisser des traces indirectes dans les données du collisionneur. L'essence de la matière noire n'est peut-être pas la seule solution. Après tout, la matière ordinaire se compose également de nombreux types de particules. La matière noire peut également être composée de plusieurs participants, ce qui compliquera la recherche, car les signes présumés d'un candidat particulier pour les particules seront flous. Peut-être que la matière noire n'interagit pas du tout, sauf la gravité. Cela rapprochera encore plus la vie des expérimentateurs d'un cauchemar.
Dans un sens, nous sommes dans une situation dont les scientifiques rêvent. Les vieilles idées ne fonctionnent pas et de nouvelles sont nécessaires. Ils peuvent apparaître en raison de l'étude de nouveaux types de particules, ou nous pouvons découvrir une nouvelle théorie cohérente de la gravité, qui nous permet d'abandonner la matière noire.
Mais le souci constant est que la nature cache la nouvelle physique là où nous ne pouvons pas la trouver. Et bien que nous n'ayons pas encore complètement épuisé les tentatives de trouver des WIMP, les expériences ne sont pas capables de beaucoup plus. Plus ils deviennent sensibles à la matière noire, plus ils sont sensibles aux particules d'ordures et ne peuvent pas toujours se distinguer les uns des autres. Au rythme actuel de leur développement, dans dix ans, ils seront aveuglés par les neutrinos émis par le Soleil ou les rayons cosmiques entrant en collision avec l'atmosphère terrestre.
Le soleil peut être un détecteur naturel de matière noire. Les astronomes peuvent détecter des changements dans la structure des couches du Soleil sous l'influence de la matière noire. L'image en rouge montre les zones qui s'éloignent de nous, et en bleu - celles qui approchent.Dans ce cas, nous pouvons toujours poursuivre les tentatives de détection indirecte. L'un des plus prometteurs est le
réseau de télescopes Cherenkov , une collection de plus de centaines de télescopes situés au Chili et sur l'île de
Palma . Entre autres tâches, il recherchera les rayons gamma qui apparaissent dans l'annihilation des particules de matière noire dans nos galaxies et dans d'autres. Mais à un moment donné, cette stratégie de recherche se heurtera à un autre problème: le coût. Jusqu'à présent, les détecteurs de matière noire sont parmi les plus économiques des expériences physiques de base, mais si nous devons augmenter leur taille, leur sensibilité et leur complexité, leur coût peut dépasser les monstres comme le Grand collisionneur de hadrons (près de 7 milliards de dollars) et le télescope. James Webb (environ 8 milliards de dollars), sans aucune garantie de succès - et c'est très difficile à vendre aux politiciens.
Le meilleur outil pour découvrir des particules de matière noire serait un nouveau collisionneur. Quelque part dans trois décennies, les physiciens prévoient de construire plusieurs fois un collisionneur qui dépasse le LHC en puissance. Des recherches sont menées à la fois en Chine et en Europe. Selon des estimations approximatives, cela coûtera 25 milliards de dollars d'aujourd'hui. Cela peut être réel si la charge est répartie dans le temps et entre plusieurs pays. Mais c'est probablement la limite. Même si les physiciens avaient des ressources illimitées, il n'y aurait plus de gain à construire quelque chose de plus grand. De plus, toute particule inconnue sera si massive que le Big Bang n'aurait tout simplement pas pu la générer en quantité suffisante.
Malgré toutes ces tentatives incroyables, nous ne pouvons pas détecter les signaux. C'est une perspective plutôt sombre. Il n'y a peut-être pas de matière noire. Nous continuons de rechercher des écarts par rapport aux ressources génétiques. Jusqu'à présent, pas un seul n'a été trouvé. À l'inverse, la découverte de trous noirs par les ondes gravitationnelles en 2016 a soutenu la théorie d'Einstein - et, par conséquent, l'existence de la matière noire.
Mais il y a aussi des aspects positifs. Il peut y avoir des secrets et des découvertes étonnants liés au côté obscur de la nature sur lesquels nous n'aurions jamais été tombés sans ces recherches. Pendant que nous recherchons des particules. Et nous n'avons d'autre choix que d'aller de l'avant.
Joseph Silk est cosmologiste à l'Université d'Oxford, travaillant également à l'Institut d'Astrophysique de Paris et à l'Université. John Hopkins. Pionnier de la recherche dans le domaine des radiations reliques et de la formation de la structure cosmique.