La plus grande recherche de matière noire effectuée à ce jour par les scientifiques n’a rien donné

Il n’est pas facile de détecter l’existence de la matière noire, alors qu’elle est censée représenter plus de 80 % de la masse de l’Univers.

C’est la conclusion à laquelle le monde arrive aujourd’hui, après que des scientifiques ont annoncé qu’une expérience massive de 10 millions de dollars visant à trouver des traces des insaisissables particules de matière noire avait échoué après une recherche exhaustive de 20 mois.

“Nous avons sondé des régions de l’espace paramétrique jusque-là inexplorées dans le but de faire la première découverte définitive de matière noire”, a déclaré le physicien Cham Ghag de l’University College London au Royaume-Uni, l’un des scientifiques ayant participé au projet Large Underground Xenon (LUX) basé dans le Dakota du Sud.

“Bien qu’un signal positif aurait été le bienvenu, la nature n’a pas été aussi clémente ! Néanmoins, un résultat nul est significatif car il change le paysage du domaine en contraignant les modèles de ce que pourrait être la matière noire au-delà de tout ce qui existait auparavant.”

Si nous ne pouvons pas voir, sentir ou détecter la matière noire dans l’Univers observable, les scientifiques estiment néanmoins qu’elle constitue la majorité de la masse de l’Univers.

Pourquoi ? En raison des effets gravitationnels que nous pouvons percevoir et qui ne peuvent être expliqués autrement – comme la façon dont la lumière se courbe lorsqu’elle traverse le cosmos, et la façon dont les galaxies tournent.

Mais contrairement à la matière observable qui compose tout ce que nous enregistrons physiquement, on pense que les particules de matière noire passent à travers nous, presque comme des fantômes, interagissant à peine avec nous, du moins pas à des niveaux que nous pouvons détecter scientifiquement.

“Plus de 80 % de notre matière se présente sous cette forme de matière noire”, a déclaré le scientifique de LUX, Richard Gaitskell, de l’université Brown, aux médias lors d’un événement de presse annonçant la fin de cette phase de recherche de la matière noire.

“Vous et moi sommes les flots et les jets, la matière noire est la mer”, a-t-il ajouté. “C’est pourquoi il ne faut pas abandonner. Nous devons découvrir quel est ce composant de la matière noire.”

C’est pourquoi il est si décevant que l’expérience LUX n’ait pas réussi à trouver ce qu’elle cherchait après un effort aussi massif et concentré.

Installés dans une ancienne mine d’or située à un kilomètre sous la ville de Lead, dans le Dakota du Sud, les chercheurs cherchaient à détecter des particules massives à faible interaction (WIMP), qui sont actuellement considérées comme le candidat le plus viable pour la matière noire.

On pensait que l’emplacement abrité de l’installation sous une telle quantité de roche contribuerait à protéger les expériences des sources de rayonnement telles que les rayons cosmiques, qui auraient pu affecter les signaux de la matière noire. Les scientifiques du projet LUX ont utilisé une énorme cuve de xénon liquide et des capteurs spéciaux conçus pour détecter les minuscules éclairs de lumière produits par les WIMP qui entrent en collision avec les atomes de xénon dans la cuve.

Bien qu’aucune particule de ce type n’ait été détectée, les scientifiques sont optimistes, car s’ils n’ont pas réussi à trouver de preuve de l’existence de la matière noire jusqu’à présent, ils ont appris énormément de choses au cours de cette recherche – et sur un plan purement technologique, ils ont même dépassé leurs attentes déjà élevées.

“Avec ce résultat final de l’exécution 2014-2016, les scientifiques de la collaboration LUX ont poussé la sensibilité de l’instrument à un niveau de performance final quatre fois supérieur à celui initialement prévu”, a déclaré Gaitskell dans un communiqué. “Il aurait été merveilleux que la sensibilité améliorée ait également livré un signal clair de matière noire. Cependant, ce que nous avons observé est cohérent avec le bruit de fond seul.”

“Nous avons travaillé dur et sommes restés vigilants pendant plus d’un an et demi pour faire fonctionner le détecteur dans des conditions optimales et maximiser le temps de données utiles”, a ajouté Simon Fiorucci, physicien au Berkeley Lab en Californie. “Le résultat est une donnée sans ambiguïté dont nous pouvons être fiers et un résultat opportun dans ce domaine très compétitif – même si ce n’est pas la détection positive que nous espérions tous.”

Mais là où LUX a échoué, d’autres vont continuer. Le successeur de l’expérience – LUX-ZEPLIN (LZ) – prendra la relève dans les mêmes locaux de la Sanford Underground Research Facility, cette fois avec une quantité de xénon liquide bien plus importante (9 tonnes métriques, 10 tonnes), et un budget plus important de 50 millions de dollars, qui devrait permettre de produire un détecteur 70 fois plus sensible que LUX.

La nouvelle expérience, qui devrait débuter en 2020, semble être notre meilleure chance de mettre enfin la main sur ces particules fantômes – parallèlement aux efforts en cours ailleurs, notamment au Grand collisionneur de hadrons.

Mais les chercheurs savent qu’ils devront s’y prendre à l’avance, car les recherches menées jusqu’à présent ont montré que trouver de la matière noire est tout sauf facile.

“C’est le genre de science qui prend toute une vie”, a déclaré Gaitskell à Jennifer Ouellette de Gizmodo. “Demandez-moi dans 15 ans où nous en sommes”