La science à l’Institut Périmètre – Comprendre la matière sombre

Par exemple, imaginez que chacune des étoiles qui tourne autour du centre de notre galaxie soit une boule fixée à l’extrémité d’une corde. Si la corde – la force de gravité – n’était pas là ou était trop faible, l’étoile s’échapperait de la galaxie et s’en éloignerait dans l’espace. L’ennui, c’est que la force de gravité créée par la matière que nous pouvons observer est beaucoup trop faible pour maintenir les étoiles dans la galaxie. Il est maintenant largement admis que les parties visibles de la galaxie sont entourées d’un « halo » de matière sombre – que l’on ne peut pas voir parce qu’il n’émet pas de lumière.

 
Qu’est ce que la matière sombre? Nous ne le savons pas. C’est l’une des questions non résolues les plus intéressantes de la physique moderne. Selon l’une des hypothèses les plus en vue, elle pourrait être formée de particules massives interagissant faiblement (en abrégé WIMP pour Weakly Interacting Massive Particles), une nouvelle sorte de particules stables qui ne réagissent pas aux interactions fortes ou aux forces électromagnétiques. Des douzaines d’équipes d’expérimentateurs ont cherché à établir des preuves de l’existence de WIMP – mais une seule prétend en avoir trouvé.
Les chercheurs de l’expérience DAMA (de l’anglais DArk MAtter, matière sombre), menée au laboratoire souterrain du massif de Gran Sasso, en Italie, soutiennent depuis une décennie avoir détecté des WIMP. L’ensemble des chercheurs sur la matière sombre accueille cette prétention avec scepticisme. Mais maintenant, une analyse indépendante effectuée par des chercheurs de l’Institut Périmètre pourrait faire taire l’un des plus forts arguments opposés aux affirmations de DAMA.

 
On peut concevoir l’expérience DAMA comme une tentative de tracer le graphique de ce que Itay Yavin, professeur associé à l’Institut Périmètre, appelle un « vent de WIMP. » Dans son orbite autour du centre de la galaxie, notre Soleil traverse le halo de matière sombre à une vitesse d’environ 220 km par seconde. Cela crée du « vent », un peu comme lorsque l’on fait du vélo par temps calme.

 
Dans son orbite autour du Soleil, la Terre fait face au vent de WIMP en été et elle a le vent de WIMP dans le dos en hiver. Étant donné la géométrie de l’orbite de la Terre autour du Soleil, les scientifiques sont en mesure de faire deux prédictions claires : nous devrions observer chaque année une légère augmentation et une légère diminution de tout signal provenant de matière sombre, et ce signal devrait atteindre son maximum le 2 juin de chaque année. C’est exactement ce que donne l’expérience DAMA.
Pour mesurer la force du vent de WIMP, DAMA utilise un détecteur à scintillation – un ensemble de cristaux qui émettent de la lumière lorsque des particules interagissent à l’intérieur. Après 13 années de collecte de données, personne ne met en doute l’affirmation de DAMA qu’il y a chaque année une augmentation et une diminution – autrement dit, une modulation – du nombre de scintillations. Cependant, quelque chose d’autre pourrait faire scintiller le détecteur de DAMA, avec une période d’un an et une pointe en été : les muons cosmiques.

 
Les muons cosmiques viennent des rayons cosmiques – des particules chargées (surtout des protons) qui se déplacent à grande vitesse et qui pleuvent constamment sur la surface de la Terre en provenance de l’espace. Lorsque ces particules frappent l’atmosphère terrestre, elles produisent une cascade de particules secondaires, dont beaucoup sont instables et se décomposent en muons. Certains de ces muons ont assez d’énergie pour traverser les 1400 mètres d’épaisseur de roche au-dessus du laboratoire de Gran Sasso et atteindre la pièce souterraine où se trouve le détecteur de l’expérience DAMA.

 
Le nombre de muons à haute énergie produits dépend de la température. Plus l’air est froid, plus il est dense, et plus il est probable que les particules secondaires entrent en collision avant de se décomposer, diminuant d’autant l’énergie disponible pour leurs produits de décomposition, les muons. Par conséquent, davantage de muons à haute énergie, capables de pénétrer la roche, sont produits en été qu’en hiver, ce qui devrait donner une augmentation et une diminution annuelles du nombre de muons détectés par un scintillateur souterrain.

 
Donc, est-ce que DAMA détecte ces muons, relativement banals et bien connus, ou de la matière sombre?

 
Itay Yavin, professeur associé à l’Institut Périmètre, et le postdoctorant Josef Pradler ont entrepris de répondre à cette question. « DAMA affirme avoir vu de la matière sombre, soutenant que les muons ne peuvent pas être la cause de ce signal, déclare M. Pradler. Mais il y a de bonnes raisons d’être sceptique – surtout que DAMA ne dévoile pas facilement ses données. Nous avons offert d’effectuer une analyse indépendante de l’hypothèse des muons. » [traduction]

 
Les deux chercheurs ont comparé les résultats publiés par DAMA avec les données sur les muons cosmiques recueillies dans le cadre de l’expérience Large Volume Detector (détecteur à grand volume), un appareil situé près de DAMA dans le laboratoire de Gran Sasso et qui mesure le flux de muons des rayons cosmiques. Ils ont examiné l’amplitude, la phase et le spectre de puissance des deux modulations annuelles, et ils ont conclu que ces modulations n’étaient très probablement pas de la même source. Par exemple, en ce qui concerne la phase, ils ont trouvé que le signal de DAMA atteint son maximum en juin, alors que le flux de muons atteint son maximum en juillet.

 
Avec Spencer Chang, professeur adjoint à l’Université de l’Oregon, ils ont fait une analyse de corrélation et d’autres tests, mais tous ces travaux ont semblé indiquer qu’il n’y avait pas de corrélation suffisante entre les deux jeux de données – celui du flux de muons et celui de DAMA. Autrement dit, ce que l’expérience DAMA observe ne sont presque certainement pas des muons.

 
Ces résultats ont été acceptés pour publication dans Physical Review D, et Josef Pradler les a présentés aux personnes intéressées à d’importantes conférences sur la matière sombre et la physique des particules.
« La raison pour laquelle tant de gens s’intéressent à ce résultat, c’est que l’énigme de la matière sombre est un obstacle en train d’être franchi, dit M. Yavin. De nombreuses expériences cherchent à observer de la matière sombre en laboratoire : certaines au laboratoire souterrain SNOLAB, ici au Canada, d’autres à la mine Soudan au Minnesota, d’autres encore à Gran Sasso – en tout 10 à 20 expériences dans le monde cherchent à observer de la matière sombre en laboratoire. Il nous faut avoir une idée de ce à quoi ce signal pourrait ressembler. » [traduction]
Dans le but de mieux comprendre la matière sombre, les chercheurs ont suggéré une prochaine étape. Si les signaux détectés par DAMA viennent de la matière sombre, il devrait y avoir des harmoniques de plus haute fréquence – c’est une question de pure mathématique. « C’est comme les vibrations d’une corde de guitare, explique M. Yavin. Le signal de la matière sombre est une “note de musique” ayant une fréquence d’une année. Il devrait y avoir des harmoniques. » [traduction] Les chercheurs ont fait remarquer qu’une telle analyse des harmoniques pourrait donner d’autres renseignements sur le signal et fournir des moyens supplémentaires de différentiation par rapport à divers bruits de fond.

 
Pour en savoir plus
S. CHANGE, J. PRADLER et I. YAVIN. « Statistical Tests of Noise and Harmony in Dark Matter Modulation Signals », Physical Review D, vol. 85 (2012), 063505, arXiv:1111.4222.
Vidéo éducative de l’Institut Périmètre intitulée The Mystery of Dark Matter (Le mystère de la matière sombre).