Des scientifiques australiens avancent à grands pas vers la résolution de l'un des plus grands mystères de l'univers : la nature de la matière noire invisible.
L'expérience ORGAN, le premier grand détecteur de matière noire d'Australie, a récemment terminé la recherche d'une particule hypothétique appelée axion, un candidat populaire parmi les théories qui tentent d'expliquer la matière noire.
ORGAN a imposé de nouvelles limites aux caractéristiques possibles des axions et a ainsi contribué à affiner leur recherche. Mais avant de prendre de l'avance sur nous-mêmes…
Commençons par une histoire
Il y a environ 14 milliards d'années, tous les petits morceaux de matière - les particules fondamentales qui deviendront plus tard vous, la planète et la galaxie - ont été compressés en une région très dense et chaude.
Puis le Big Bang s'est produit et tout s'est envolé. Les particules se sont combinées en atomes, qui se sont finalement regroupés pour former des étoiles, qui ont explosé et créé toutes sortes de matières exotiques.
Après quelques milliards d'années, la Terre est arrivée, qui a fini par grouiller de petites choses appelées humains. Chouette histoire, non ? Il s'avère que ce n'est pas toute l'histoire; ce n'est même pas la moitié.
Les êtres humains, les planètes, les étoiles et les galaxies sont tous constitués de matière ordinaire. Mais nous savons que la matière ordinaire ne représente qu'un sixième de toute la matière de l'univers.
Le reste est fait de ce que nous appelons la matière noire. Son nom vous dit presque tout ce que nous savons à son sujet. Il n'émet pas de lumière (nous l'appelons donc sombre) et il a une masse (nous l'appelons donc matière).
S'il est invisible, comment savons-nous qu'il est là ?
Lorsque nous observons la façon dont les choses se déplacent dans l'espace, nous constatons à maintes reprises que nous ne pouvons pas expliquer nos observations si nous ne considérons que ce que nous pouvons voir.
Les galaxies en rotation en sont un excellent exemple. La plupart des galaxies tournent à des vitesses qui ne peuvent être expliquées par l'attraction gravitationnelle de la seule matière visible.
Il doit donc y avoir de la matière noire dans ces galaxies, fournissant une gravité supplémentaire et leur permettant de tourner plus rapidement, sans que des parties ne soient projetées dans l'espace. Nous pensons que la matière noire maintient littéralement les galaxies ensemble.
Il doit donc y avoir une énorme quantité de matière noire dans l'univers, attirant tout ce que nous pouvons voir. Il vous traverse aussi, comme une sorte de fantôme cosmique. Vous ne pouvez pas le sentir.
Comment pourrions-nous le détecter ?
De nombreux scientifiques pensent que la matière noire pourrait être composée de particules hypothétiques appelées axions. Les axions ont été proposés à l'origine dans le cadre d'une solution à un autre problème majeur de la physique des particules appelé le problème CP fort (sur lequel nous pourrions écrire un article entier).
Quoi qu'il en soit, après la proposition de l'axion, les scientifiques ont réalisé que la particule pouvait également constituer de la matière noire dans certaines conditions. En effet, on s'attend à ce que les axions aient des interactions très faibles avec la matière ordinaire, mais qu'ils aient encore une certaine masse : les deux conditions nécessaires à la matière noire.
Alors, comment faites-vous pour rechercher des axions ?
Eh bien, puisque l'on pense que la matière noire est tout autour de nous, nous pouvons construire des détecteurs ici même sur Terre. Et, heureusement, la théorie qui prédit les axions prédit également que les axions peuvent se convertir en photons (particules de lumière) dans les bonnes conditions.
C'est une bonne nouvelle, car nous sommes doués pour détecter les photons. Et c'est exactement ce que fait ORGAN. Il conçoit les conditions correctes pour la conversion axion-photon et recherche les signaux photoniques faibles - de petits éclairs de lumière générés par la matière noire traversant le détecteur.
Ce type d'expérience s'appelle un haloscope axionique et a été proposé pour la première fois dans le 1980s. Il y en a quelques-uns dans le monde aujourd'hui, chacun légèrement différent de manière importante.
Faire la lumière sur la matière noire
On pense qu'un axion se transforme en photon en présence d'un champ magnétique puissant. Dans un haloscope typique, nous générons ce champ magnétique à l'aide d'un gros électroaimant appelé solénoïde supraconducteur.
À l'intérieur du champ magnétique, nous plaçons une ou plusieurs chambres creuses en métal, destinées à piéger les photons et à les faire rebondir à l'intérieur, ce qui les rend plus faciles à détecter.
Cependant, il y a un hic. Tout ce qui a une température émet constamment de petits éclairs de lumière aléatoires (c'est pourquoi les caméras thermiques fonctionnent). Ces émissions aléatoires, ou bruits, rendent plus difficile la détection des faibles signaux de matière noire que nous recherchons.
Pour contourner ce problème, nous avons placé notre résonateur dans un réfrigérateur à dilution. Ce réfrigérateur sophistiqué refroidit l'expérience à des températures cryogéniques, d'environ −273°C, ce qui réduit considérablement le bruit.
Plus l'expérience est froide, mieux nous pouvons "écouter" les photons faibles produits lors de la conversion de la matière noire.
Ciblage des régions de masse
Un axion d'une certaine masse se convertira en un photon d'une certaine fréquence ou couleur. Mais comme la masse des axions est inconnue, les expériences doivent cibler leur recherche sur différentes régions, en se concentrant sur celles où la matière noire est considérée comme plus susceptible d'exister.
Si aucun signal de matière noire n'est trouvé, soit l'expérience n'est pas assez sensible pour entendre le signal au-dessus du bruit, soit il n'y a pas de matière noire dans la région de masse d'axion correspondante.
Lorsque cela se produit, nous fixons une "limite d'exclusion" - qui est juste une façon de dire "nous n'avons trouvé aucune matière noire dans cette gamme de masse, à ce niveau de sensibilité". Cela indique au reste de la communauté de recherche sur la matière noire de diriger leurs recherches ailleurs.
ORGAN est l'expérience la plus sensible dans sa gamme de fréquences ciblée. Sa récente exécution n'a détecté aucun signal de matière noire. Ce résultat a fixé une limite d'exclusion importante sur les caractéristiques possibles des axions.
Il s'agit de la première phase d'un plan pluriannuel de recherche d'axions. Nous préparons actuellement la prochaine expérience, qui sera plus sensible et ciblera une nouvelle gamme de masse encore inexplorée.
Mais pourquoi la matière noire est-elle importante ?
Eh bien, d'une part, nous savons par l'histoire que lorsque nous investissons dans la physique fondamentale, nous finissons par développer des technologies importantes. Par exemple, toute l'informatique moderne repose sur notre compréhension de la mécanique quantique.
Nous n'aurions jamais découvert l'électricité ou les ondes radio si nous n'avions pas poursuivi des choses qui, à l'époque, semblaient être d'étranges phénomènes physiques au-delà de notre compréhension. La matière noire est la même.
Considérez tout ce que les humains ont accompli en comprenant seulement un sixième de la matière de l'univers et imaginez ce que nous pourrions faire si nous débloquions le reste.
Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.
Crédit image: Collaboration Illustris
