Matière noire : une première particule aurait été détectée

Le 16 juin 2023, un fantôme a fait irruption à plus d'un kilomètre sous la surface de la Terre pour troubler l’obscurité ambiante. Il aurait pu s'agir d'un choc entre deux particules des plus banales, mais d'après l'annonce faite le 1er septembre par les physiciens, il y aurait 99,5 % de chances que la collision ait été causée par un élément qu'ils n'avaient jamais détecté auparavant : une mystérieuse particule de matière noire.

Pour rappel, la matière noire serait une sorte de colle invisible qui assure la cohésion de l'univers. Sans elle, la matière visible qui nous entoure n'aurait aucun support gravitationnel pour former les structures de l'univers. Cependant, comme elle n'est pas directement visible, les scientifiques sont bien incapables d'identifier les particules qui entrent dans sa composition, si tant est qu'il y en ait.

Au lieu de traquer directement les particules, les chercheurs se concentrent depuis plusieurs décennies sur les empreintes qu'elles pourraient laisser sur la matière ordinaire, comme notre ombre sur un mur ou nos pas dans le sable. L'infiniment petite collision s'est produite au Sanford Underground Research Facility (SURF), dans le Dakota du Sud, et elle pourrait apporter la preuve la plus prometteuse à ce jour que la matière noire est effectivement composée de particules, plus précisément des Weakly Interacting Massive Particles (particules massives interagissant faiblement), ou WIMP.

« Il y a évidemment beaucoup d'enthousiasme, mais nous devons aussi rester prudents », témoigne Daniel Akerib, physicien des particules à l'université Stanford et l'un des nombreux experts impliqués dans la nouvelle étude.

Par le passé, d'autres expériences ont mis en avant leur propre candidat au poste de particule de matière noire, sans grand succès. Pour confirmer le signal WIMP, les chercheurs devront accumuler plus de données. À ce stade, « il s'agit d'une anomalie séduisante, pas d'une preuve », déclare Chamkaur Ghag, physicien à l'University College de Londres également membre de l'équipe de chercheurs. En revanche, si les scientifiques venaient à détecter d'autres curieuses collisions du genre, elles pourraient bien mettre un terme à la quête quasi centenaire de la véritable nature de la matière noire.

UN PUZZLE FANTOMATIQUE

La matière ordinaire vous donne peut-être l'impression de régner sur l'univers. Pourtant, celle qui représente 85 % de la composition de l'univers, c'est bien la matière noire, dont l'hypothèse de l'existence en tant que masse invisible remonte aux années 1930 et en tant que particule atypique aux années 1970. Cette estimation s'appuie sur une foule d'observations de l'univers visible ainsi que l'évaluation des forces gravitationnelles qui semblent modeler ses galaxies.

« Nous savons que la matière noire existe », indique Daniel Whiteson, physicien des particules au sein de l'université de Californie à Irvine. « Divers faisceaux de preuves indépendants le confirment. » Les étoiles ne s'enflammeraient pas sous l'influence de la matière ordinaire et de sa seule gravité. Sans l'influence de la matière noire, les galaxies se déchireraient sous l'effet de leur propre rotation. La lumière fléchit autour de régions dissimulées de l'espace, un phénomène appelé lentille gravitationnelle, ce qui n'a de sens qu'en présence d'immenses quantités de matière noire.

« Les cosmologistes ont beaucoup de mal à construire, ou plutôt modéliser, un univers sans matière noire », reconnaît Akerib. « Mais qu'est-ce donc ? »

La matière noire est probablement partout, mais comme elle ne reflète pas la lumière, elle est invisible. Elle interagit toutefois avec la gravité, ce qui lui confère une masse et le statut de particule aux yeux des scientifiques.

Plusieurs suspects ont été proposés comme potentiels coupables. « Les WIMP ont toujours eu une longueur d'avance, car ils représentent la théorie la plus simple », déclare Whiteson. Malgré leur taille et leur indolence, ces particules parviendraient presque toujours à se faufiler sans incident à travers la matière ordinaire. Oui, « presque », car en de très rares occasions, il leur arrive de percuter les noyaux atomiques d'un élément ordinaire.

Cependant, les interactions des WIMP avec la matière ordinaire sont si rares que seuls les détecteurs les plus sensibles sont capables de les détecter. Depuis des années, les expériences à travers le monde se font plus grandes, plus sophistiquées, dans l'espoir d'assister au malheureux trébuchement d'une particule de matière noire sur un atome quelconque.

« Ils n'en ont jamais vu la moindre trace », déplore Whiteson.

Ou, peut-être, jusqu'à présent.

MILLE MÈTRES SOUS LE DAKOTA DU SUD

L'expérience qui a détecté la possible présence d'une particule WIMP s'appelle LUX-ZEPLIN, surnommée LZ par ses amis physiciens. Le cœur de LZ est un réservoir rempli de xénon à l'état liquide. « Le xénon est la cible parfaite », indique Ann Wang, physicienne des particules au SLAC National Accelerator Laboratory de Californie, et membre de l'équipe de recherche LZ. Tout d'abord, le xénon est un grand adepte de la pyrotechnie.

Si une particule rebelle traverse ce réservoir et frappe le noyau d'un atome de xénon, celui-ci émet un flash de lumière ; simultanément, il largue une salve d'électrons qui dérivent jusqu'en haut du réservoir où des détecteurs de lumière attendent un second flash.

Si une WIMP percutait un noyau de xénon, elle générerait donc un duo de flashs, chacun doté d'un niveau d'énergie que la matière ordinaire est incapable de produire. « Le principal défi étant que d'autres éléments peuvent atteindre ces cavernes et bousculer des atomes de xénon », indique Whiteson. Parmi ces intrus, on retrouve notamment les rayons gamma et les neutrons émis par le Soleil et d'autres sources cosmiques.

Pour se protéger contre ces indésirables, le laboratoire qui accueille LZ se trouve à 1 480 mètres sous le Dakota du Sud, dans une ancienne mine d'or, où l'épaisse couche de roche filtre généreusement les radiations venues de l'espace. Il s'agit du laboratoire souterrain le plus profond des États-Unis. Le réservoir expérimental possède également plusieurs couches de blindage, utilisant des éléments exotiques et de l'eau purifiée pour bloquer les particules envahissantes. Les matériaux qui composent ce réservoir aux allures de poupée russe ont eux aussi été triés sur le volet, pour ne retenir que ceux qui émettent un bruit de fond minimal.

Malgré tous ces efforts, un nombre substantiel de particules de matière ordinaire pouvant être confondues avec l'insaisissable matière noire parviennent encore à se frayer un chemin. Par conséquent, depuis le lancement de l'expérience en décembre 2021, les scientifiques du laboratoire LZ font preuve d'une extrême prudence dans leurs recherches.

Entre mars 2023 et avril 2024, les physiciens ont analysé chaque flash de lumière digne d'intérêt. Tous ont été attribués à des interactions de matière ordinaire, à l'exception du 16 juin 2023, date à laquelle un élément a percuté un noyau de xénon et déclenché le détecteur d'une manière que la matière ordinaire ne pourrait expliquer.

« Après un long travail de notre équipe d'analyse, il nous est finalement apparu que nous avions peut-être trouvé quelque chose de spécial », rapporte Samuel Eriksen, physicien à l'université de Bristol en Angleterre et membre de l'équipe de la nouvelle étude.

LA DÉCOUVERTE TANT ATTENDUE ?

Annoncé à l'occasion de la conférence TeV Particle Astrophysics 2026 qui s'est tenue cette semaine à Tendo, au Japon, et présenté dans une prépublication qui attend l'évaluation par les pairs, l'événement unique en son genre pourrait avoir bénéficié de la contribution d'une WIMP, et pas n'importe laquelle : une particule d'au moins 200 fois la masse d'un proton.

« Le résultat de l'expérience LZ est fascinant », déclare Michael Keim, astronome de l'université Yale, tout d'abord parce qu'il suggère fortement que la matière noire est bien une particule et pas, comme certains sceptiques le prétendaient, une lacune dans notre compréhension de la gravité.

À l'heure actuelle, notre vision de la relation entre les composants élémentaires de l'univers et ses forces fondamentales, le bien nommé modèle standard, n'inclut pas de particules de matière noire officielles. « Une WIMP confirmée de cette masse serait notre première preuve de laboratoire directe de la physique en dehors du modèle standard », explique Ghag. « C'est ce que les physiciens des particules recherchent depuis cinquante ans. »

Statistiquement, cet événement ne constitue pas une découverte définitive, loin de là. Les physiciens évaluent à 1 chance sur 200 la probabilité que le spectacle offert par le laboratoire ne soit qu'une banale collision avec une particule ordinaire, ce qui est trop élevé à leurs yeux. Pour que l'événement soit considéré comme une découverte, la probabilité qu'il ait impliqué autre chose que de la matière noire ne doit pas excéder 1 chance sur 3,5 millions, le seuil statistique de référence connu sous le nom de 5-sigma.

D'autres prétendants « sont toujours sérieusement dans la course » au rôle de matière noire, précise Ghag. Les axions sont une autre forme particulaire théorique de la ténébreuse substance, tout comme des trous noirs réduits à la taille d'un seul atome qui auraient vu le jour dans les premières secondes de l'univers.

Quoiqu'il en soit, LZ poursuit inlassablement sa collecte de données. Si l'expérience ou l'une de ses homologues détecte des signaux de lumière similaires sans aucun coupable ordinaire, « notre confiance dans la contribution des WIMP à l'histoire de la matière noire en sera grandement renforcée », assure Eriksen.

Il y a bien une chance que cet événement soit le fruit d'une réalité plus triviale, comme un neutron égaré, ou le résultat d'une éventuelle désintégration radioactive. Tout cela n'empêchera pas les scientifiques de garder espoir.

« Nous avons cherché sans relâche une explication mondaine et, à ce stade, nous n'avons rien trouvé, voilà ce qui distingue cet événement », affirme Ghag. « Lorsque vous avez passé des années à identifier tous les tours que peut vous jouer votre détecteur, puis qu'un événement survient et échappe à toutes les explications que vous lui trouvez, c'est là que la physique devient intéressante. »