réSous terre, les scientifiques se rapprochent de l’une des cibles les plus insaisissables de la science moderne : la matière noire. Dans des laboratoires souterrains aux États-Unis et en Italie, ils ont installé d’immenses cuves de xénon liquide et les ont doublées de détecteurs très sensibles dans l’espoir de repérer des collisions subatomiques qui révéleront la présence de ce matériau insaisissable.

Cependant, les chercheurs reconnaissent que la génération actuelle de détecteurs atteint la limite de leur efficacité et avertissent que s’ils ne parviennent pas à détecter la matière noire avec ce type de machines, ils pourraient être contraints de réévaluer complètement leur compréhension du cosmos.

« La matière noire représente environ 85 % de toute la masse de l’univers, mais nous n’avons pas été en mesure de la détecter jusqu’à présent – ​​malgré la construction de détecteurs de plus en plus puissants », a déclaré le physicien professeur Chamkaur Ghag de l’University College de Londres. « Nous nous approchons maintenant des limites de nos détecteurs et s’ils ne trouvent pas de matière noire dans les prochaines années, nous devrons peut-être accepter qu’il y ait quelque chose qui ne va pas dans notre façon de penser l’univers et la gravité. »

La chasse à la matière noire a commencé au siècle dernier lorsque les astronomes ont découvert que les galaxies semblaient tourner trop rapidement pour rester stables. Les observations ont indiqué qu’elles devaient avoir des masses 10 fois supérieures à leur contenu visible – étoiles, planètes et nuages ​​de poussière – sinon elles se déchireraient.

Le matériau manquant générant la gravité supplémentaire nécessaire pour maintenir les galaxies ensemble a été surnommé « matière noire ». Les astronomes ont d’abord pensé qu’il pouvait s’agir d’étoiles trop petites ou trop faibles pour être vues depuis la Terre ou par d’autres candidats, comme les étoiles à neutrons. Cependant, les nouvelles générations de télescopes puissants ont montré que ces possibilités n’étaient pas viables.

Les scientifiques sont donc passés de l’astronomie grande à l’incroyablement petit pour expliquer la masse manquante de l’univers. Un grand nombre de particules non détectées forment des halos invisibles autour des galaxies et augmentent leurs champs gravitationnels, ont-ils soutenu. Ces particules hypothétiques sont appelées mauviettes – des particules massives interagissant faiblement – ​​et pendant deux décennies, les chercheurs se sont efforcés de les détecter.

Ces efforts ont impliqué la construction de détecteurs profondément souterrains où ils sont protégés des particules subatomiques – déclenchées par les rayons cosmiques frappant la haute atmosphère qui se déverse constamment sur Terre et qui déclencheraient des flux de lectures faussement positives sur leurs instruments.

« On s’attendait à ce qu’une mauviette frappe un noyau de xénon et que le flash de lumière résultant soit repéré par un détecteur et révèle ainsi la présence d’une mauviette de matière noire », a déclaré Ghag. « Malgré des années d’efforts, nous n’avons pas encore vu un seul flash comme celui-ci, cependant. Nous avons besoin d’une plus grande sensibilité.

Maintenant, les chercheurs placent leurs espoirs dans les deux chasseurs de mauviettes les plus sensibles jamais conçus. L’un, construit sous les montagnes italiennes du Gran Sasso, est connu sous le nom de XENONnT. L’autre, Lux-Zeplin, a été construit dans une ancienne mine d’or du Dakota du Sud. Les deux appareils ont été remplis de plusieurs tonnes de xénon – bien plus que ce qui a été mis dans n’importe quel appareil précédent – ​​et cela devrait augmenter les chances qu’un noyau soit frappé par une mauviette.

Ghag, membre de l’équipe Lux-Zeplin, a déclaré : « Les deux appareils sont actuellement soumis à des tests opérationnels, et dans quelques mois, ces essais seront terminés. Nous pourrions découvrir que nous avons détecté de la matière noire au cours de cette période, ce qui serait une très bonne nouvelle. Sinon, les deux appareils fonctionneront sans interruption pendant plusieurs années. Essentiellement, plus nous avons de xénon dans nos machines et plus nous faisons fonctionner nos détecteurs longtemps, meilleures sont nos chances que des collisions se produisent et que la matière noire révèle sa présence. »

Cependant, il est maintenant admis qu’il est probable que cela ne se produira pas et que la matière noire pourrait rester insaisissable. Comme Mariangela Lisati, physicienne à l’Université de Princeton dans le New Jersey, l’a déclaré dans le journal Science récemment : « L’hypothèse de la mauviette fera face à son véritable calcul après le fonctionnement de ces détecteurs de nouvelle génération. »

Si Lux-Zeplin et XENONnT ne parviennent pas à trouver les mauviettes, les deux équipes de scientifiques auront une dernière chance d’utiliser la technologie actuelle pour les trouver – en unissant leurs forces pour créer un dernier détecteur ultra-large qui contiendrait des dizaines de tonnes de xénon, un gaz rare et coûteux à isoler, et qui serait exploité pendant plusieurs années.

Et si ce détecteur de la dernière chance ne parvient pas à trouver la matière noire, les scientifiques seraient perplexes. En rendant leurs machines encore plus sensibles, elles seraient submergées par les signaux déclenchés par un autre type de particule subatomique, le neutrino, qui pleuvent sur la Terre par milliers de milliards chaque seconde. Il faudrait adopter d’autres approches.

« Il se pourrait qu’en cherchant des mauviettes, nous cherchions nos clés sous le réverbère », a ajouté Ghag. « La matière noire pourrait être beaucoup plus étrange que ce que nous avons supposé jusqu’à présent. Il pourrait être fait de minuscules trous noirs. Ou il pourrait être fait de quelque chose qui est un million de fois plus léger qu’une mauviette et la détection sera très difficile. Nous devrons donc être beaucoup plus sophistiqués dans nos tentatives de détection. »

De tels efforts pour trouver une forme de matière qui peut à peine interagir avec la matière normale peuvent sembler inutiles. Mais sans l’influence gravitationnelle omniprésente de la matière noire, les galaxies, les étoiles et les planètes n’auraient pas tenu ensemble dans l’univers primitif et la vie telle que nous la connaissons n’aurait pas évolué. D’où les scientifiques qui poursuivent leurs efforts pour découvrir sa vraie nature.