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Une nouvelle expérience révèle ce que la matière sombre n’est pas

Souvent, la science ne progresse pas par bonds, mais en s’approchant petit à petit de la vérité. Comme la recherche aux endroits évidents ne donnait aucun résultat, des théoriciens ont proposé une nouvelle manière de rechercher de la matière sombre en réorientant des expériences existantes sur les neutrinos.

Nous savons qu’elle exerce une attraction gravitationnelle et qu’elle est 5 fois plus abondante que la matière ordinaire. Au-delà de ça, nos connaissances sont sommaires — les chercheurs ne savent toujours pas ce qu’est la matière sombre. Mais ce n’est pas faute d’avoir essayé.

Dans les années 1970, l’astrophysicienne Vera Rubin a remarqué que les bords des galaxies tournaient beaucoup plus vite que prévu étant donné la quantité de matière visible en leur centre. La conclusion : il doit y avoir de la matière invisible qui maintient la cohésion des galaxies.

Cette découverte a mis en branle une chasse au trésor scientifique visant à détecter cette mystérieuse matière sombre. Après que des explorations détaillées du ciel aient éliminé la possibilité que la matière sombre soit tout simplement de la matière ordinaire moins lumineuse — comme des trous noirs, des étoiles à neutrons ou des nuages froids de gaz —, les chercheurs sont passés de l’astrophysique à la physique des particules. Depuis lors, selon la théorie dominante, la matière sombre doit être constituée d’une sorte de particule non encore découverte qui interagit avec la matière ordinaire uniquement par le truchement de la gravité (et peut-être de l’interaction faible).

D’importantes recherches expérimentales ont été menées dans le but de trouver ces particules hypothétiques, généralement appelées particules massives interagissant faiblement (en abrégé WIMP pour weakly interacting massive particles). Des expériences de détection directe, menées à une grande profondeur sous terre pour filtrer les myriades d’autres particules venues de l’espace, cherchent des signes de collision entre des particules de matière sombre et la matière ordinaire. D’autres expériences visent une détection indirecte par la recherche de particules et de rayonnements produits lorsque des particules de matière sombre entrent en collision ou se décomposent dans l’espace extra-atmosphérique. Des chercheurs ont même tenté de produire en laboratoire des particules de matière sombre en provoquant des collisions de protons à des vitesses extrêmement élevées.

Toutes ces expériences n’ont donné aucun résultat jusqu’à maintenant.

Réfléchir en dehors des sentiers battus

Dès le milieu des années 2000, la communauté scientifique s’impatientait à cause de l’absence de détection de la matière sombre. « Les gens cherchaient des WIMP depuis un certain temps et n’en trouvaient pas », dit Brian Batell, professeur adjoint à l’Université de Pittsburgh et ancien postdoctorant à l’Institut Périmètre. « Certains ont alors commencé à réfléchir à d’autres avenues — en dehors des sentiers battus. » [traduction]

Brian Batell
Brian Batell, professeur adjoint à l’Université de Pittsburgh et ancien postdoctorant à l’Institut Périmètre

Leur pensée créatrice était stimulée en partie par des mesures intrigantes, effectuées par des satellites, révélant la présence d’un nombre étonnamment élevé de positons (équivalents chargés positivement des électrons) en provenance du centre de notre galaxie.

Les pulsars, étoiles à neutrons en rotation et fortement magnétisées, peuvent produire des positons, mais on ne connaît pas bien le nombre de pulsars dans la galaxie et la quantité de positons qu’ils produisent. Une autre théorie est également en accord avec ces données : se pourrait-il que des particules de matière sombre entrent en collision et s’annihilent en produisant des positons? La réponse pouvait être oui, mais seulement si les particules de matière sombre étaient suffisamment légères.

« À l’époque, on ne savait même pas s’il existait des modèles de physique des particules pouvant comporter des candidats aussi légers pour la matière sombre », déclare Maxim Pospelov, professeur associé à l’Institut Périmètre. « Tout le monde parlait de particules dont le poids était de 5 ordres de grandeur plus élevé. » [traduction] (L’une des premières pionnières des modèles de matière sombre légère a été Celine Boehm, de l’Université Durham et boursière invitée Emmy-Noether à l’Institut Périmètre en 2016-2017.)

Maxim Pospelov
Maxim Pospelov, professeur associé à l’Institut Périmètre

Du point de vue de la détection, la possibilité que la matière sombre soit beaucoup plus légère que les modèles conventionnels de WIMP avait un avantage.

« Dans une perspective expérimentale, explique M. Batell, il serait très intéressant que les particules de matière sombre soient légères, car elles seraient alors accessibles par la cinématique. »

Autrement dit, il est beaucoup plus facile de produire des particules légères que des particules lourdes. « Nous disposons d’accélérateurs. Nous pouvons faire entrer en collision des particules qui ont une certaine énergie afin de produire d’autres particules. Si les particules de matière sombre sont légères, nous pourrions réaliser des expériences visant à produire ces particules et à les détecter. » [traduction]

Des théoriciens se sont longuement penchés sur la question et ont démontré que non seulement il y avait des modèles plausibles de matière sombre légère, mais que ces modèles avaient des caractéristiques intéressantes. « Si la matière sombre légère existe, explique M. Pospelov, il doit aussi y avoir une particule médiatrice légère qui véhicule les interactions entre la matière sombre et la matière du modèle standard. » [traduction]

Une « force sombre »?

Selon le modèle standard de la physique des particules, les médiateurs, ou particules messagères, sont des particules dont le rôle est de transmettre les forces qui s’exercent entre les autres particules. Par exemple, les photons (quantums de lumière) transmettent la force électromagnétique qui agit sur des particules chargées telles que les électrons et les protons.

L’existence possible d’un médiateur pour la matière sombre avait un corollaire intéressant : la matière sombre pourrait interagir non seulement par la gravité, mais aussi par une nouvelle « force sombre » agissant à grande distance. Même si elle pouvait sembler sortir tout droit d’un roman de science-fiction, l’existence d’une force sombre cadrait bien avec les théories décrivant la production de matière sombre dans l’univers primitif.

On a donc mené des expériences à la recherche d’un « photon sombre », particule hypothétique qui serait un médiateur idéal pour les particules de matière sombre. Dans bien des cas, les physiciens soupçonnaient qu’il serait plus facile de détecter le photon sombre que les particules de matière sombre légère elles-mêmes.

Mais, comme dans le cas des WIMP, la chasse aux photons sombres n’a donné aucun résultat.

Cela peut sembler frustrant, mais le processus qui consiste à avancer une hypothèse concernant une particule candidate pour la matière sombre, à mener une série d’expériences pour tester cette hypothèse, puis à exclure cette hypothèse ou — ce qu’espère tout scientifique — à trouver des données probantes qui l’appuient, n’est rien d’autre que le processus de la science elle-même.

« La méthode scientifique a maintes fois démontré sa puissance, dit M. Batell. Malheureusement, il n’y a aucune garantie que nous trouverons un jour de la matière sombre. Par contre, il n’y a aucun autre moyen de faire des progrès sur la question fondamentale. La nature de la matière sombre est l’un des mystères non résolus de la physique et, en tant que scientifiques, nous sommes obligés d’examiner et de tester dans la mesure de nos moyens toutes les idées et hypothèses justifiées. » [traduction]

Évidemment, la construction d’un nouveau détecteur ou la mise au point d’une nouvelle expérience pour tester chaque hypothèse prend du temps et de l’argent. Y aurait-il un moyen d’explorer de manière plus efficace les nouvelles théories sur la matière sombre?

De nouvelles possibilités expérimentales

En 2009, Brian Batell, alors postdoctorant à l’Institut Périmètre, Maxim Pospelov et Adam Ritz, professeur à l’Université de Victoria, ont publié un article dans lequel ils proposaient que l’on essaie, au lieu de rechercher une particule médiatrice, de détecter directement des particules légères de matière sombre en utilisant des expériences conçues pour étudier les neutrinos.

Situés à une grande profondeur sous terre, ces accélérateurs « à cible fixe » envoient un faisceau intense et à grande énergie de particules, par exemple des protons, sur une cible faite de béryllium ou d’autres matériaux. Les collisions entre les protons et les nucléons de la cible produisent des pions, qui se décomposent ensuite en neutrinos. Les neutrinos traversent plusieurs mètres de terre pour atteindre un détecteur rempli d’huile minérale ou d’eau lourde, et tapissé de dispositifs photosensibles conçus pour détecter des collisions entre les neutrinos et les noyaux du matériau contenu dans le détecteur.

MiniBooNE detector tank
L’intérieur du réservoir du détecteur de l’expérience MiniBooNE

« Nous nous sommes rendu compte que l’on pourrait utiliser le même principe pour produire des médiateurs de lumière se décomposant par exemple en une paire de particules de matière sombre, explique M. Pospelov. Dans ce cas, les particules de matière sombre iraient dans le détecteur et se diffuseraient. Nous pourrions donc rechercher de la matière sombre légère dans des expériences sur les neutrinos. » [traduction]

C’était une idée élégante. Les expériences menées avec des accélérateurs compléteraient d’autres installations de détection comme celles du laboratoire SNOLAB de Sudbury, en Ontario, conçues pour détecter des particules de matière sombre ayant une plus grande masse et moins d’énergie, que l’on croit omniprésentes dans la galaxie.

« Les expériences de détection directe conviennent bien pour la recherche de particules lourdes de matière sombre, mais sont moins bien adaptées pour la recherche de particules légères, explique M. Batell. Si l’on tente de créer des particules légères de matière sombre à l’aide d’un accélérateur, ces particules peuvent avoir une énergie très élevée et peuvent facilement se diffuser avec les particules contenues dans le détecteur. » [traduction] On aurait ainsi une signature spectaculaire de ces particules de matière sombre.

Rencontre entre théoriciens et expérimentateurs

À peu près à l’époque où MM. Batell, Pospelov et Ritz ont publié leur article, il se trouve que plusieurs expériences conçues pour étudier les oscillations des neutrinos arrivaient à leur terme. Des théoriciens et des expérimentateurs se sont réunis pour réfléchir à des manières de réutiliser les instruments de haute précision qui allaient devenir disponibles.

Des scientifiques de l’expérience MiniBooNE de Fermilab sur les neutrinos ont assisté à un exposé de Brian Batell sur la proposition du trio de chercheurs concernant la matière sombre. MiniBooNE (BooNE est l’acronyme de Booster Neutrino Experiment – Expérience d’amplification sur les neutrinos) était à la veille de terminer une étude de 10 ans sur les oscillations et la masse des neutrinos, et l’équipe était intéressée à utiliser l’équipement à d’autres fins. Une collaboration venait de naître.

Il y a des avantages à réutiliser un montage existant au lieu de construire à partir de zéro : le coût est sensiblement moindre, et l’on bénéficie d’une plus grande souplesse dans la définition de l’expérience à effectuer.

Par contre, la réutilisation d’un montage expérimental orienté vers les neutrinos présente aussi des inconvénients. L’un d’eux vient des neutrinos eux-mêmes, qui pourraient masquer le faible signal émis par la matière sombre. « La plupart de ces expériences sont conçues pour faciliter la détection des neutrinos, dit M. Pospelov. Mais comme nous recherchons quelque chose d’autre, les neutrinos constituent alors un bruit de fond. » [traduction]

Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont imaginé une manière de reconfigurer l’accélérateur. Plutôt que de diriger le faisceau de protons sur la cible de béryllium, ils ont fait dévier le faisceau à l’aide d’aimants directement dans le diffuseur d’énergie en acier (servant à disperser les protons excédentaires à la fin d’une expérience sur les neutrinos). L’acier absorbe rapidement les mésons qui produisent les neutrinos, divisant par 50 le flux de neutrinos.

Schematic diagram of MiniBooNE
Schéma illustrant la recherche de matière sombre à l’aide du détecteur de l’expérience MiniBooNE. Le faisceau de protons est dévié à côté de la cible de béryllium, directement vers le diffuseur d’énergie en acier.
Légende : Target = Cible; Decay Pipe = Conduit de décomposition; Beam Dump = Diffuseur d’énergie; MiniBooNE Detector = Détecteur de MiniBooNE; Steel = Acier; Earth = Terre.

De novembre 2013 à septembre 2014, l’équipe de MiniBooNE a fait fonctionner l’accélérateur dans sa nouvelle configuration, à la recherche d’une interaction spécifique entre une particule de matière sombre et un atome d’huile minérale à l’intérieur du détecteur, avec libération d’un nucléon au cours du processus.

Les théoriciens participant au projet — Brian Batell, Adam Ritz et Patrick deNiverville, doctorant à l’Université de Victoria sous la direction de M. Ritz — ont dérogé aux habitudes et travaillé en étroite collaboration avec les expérimentateurs, afin de mettre au point un ensemble d’outils de simulation et d’analyse qui pourront servir à d’autres recherches semblables de matière sombre.

« Faire partie d’une équipe d’expérimentateurs, c’est presque comme d’être admis au sein d’un ordre médiéval », dit M. Pospelov en souriant. « Le monde des physiciens expérimentateurs est bien différent de celui des théoriciens. » [traduction]

Par exemple l’information exclusive est rare en physique théorique, mais les expérimentateurs ne peuvent pas diffuser leurs données avant que les résultats ne soient publiés. Dans ce cas-ci, les résultats ressemblaient à ceux de nombreuses expériences précédentes : aucun signal se distinguant du bruit de fond n’a été détecté. La matière sombre demeure pour le moment insaisissable.

La recherche se poursuit

Maxim Pospelov et Brian Batell reconnaissent qu’il aurait fallu une chance énorme pour détecter de la matière sombre. « Détecter de la matière sombre en un lieu relativement précis? Ce serait une surprise merveilleuse que de trouver cet endroit, dit M. Pospelov. Cela ne s’est pas produit. Mais c’est un processus de recherche, n’est-ce pas? » [traduction]

Peu importe qu’il y ait détection ou non, MiniBooNE représente une étape importante dans la recherche de matière sombre, fait valoir M. Batell : « C’est un résultat important parce que c’est en quelque sorte la première expérience visant exclusivement la recherche de matière sombre. » [traduction]

M. Pospelov croit que l’union de la théorie et de l’expérimentation continuera de faire progresser la recherche de matière sombre : « Au cours de la dernière décennie, cette union de théoriciens proposant de nouvelles signatures de la matière sombre et d’expérimentateurs cherchant de nouvelles applications de leurs appareils a vraiment fait une différence dans ce domaine. » [traduction]

L’équipe poursuivra l’expérience afin de rechercher d’autres manières possibles pour la matière sombre de laisser sa marque, par exemple par diffusion avec des électrons ou en brisant un noyau pour produire un feu d’artifice de particules.

Chaque avenue examinée est d’une certaine manière prometteuse : soit une détection positive, que tous espèrent, soit un progrès moins glorieux — mais néanmoins crucial — vers l’élimination d’hypothèses sur la nature de la matière sombre.

« Nous pouvons fixer une limite sur la diversité des modèles de matière sombre légère, dit M. Batell. Nous avons appris quelque chose : pour le moment, nous savons ce que la matière sombre n’est pas. » [traduction]

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