On pense que la matière noire est cinq fois plus répandue dans l’univers que la matière ordinaire. Mais elle interagit si faiblement avec d’autres matières – comme les protons et les électrons qui nous entourent – que, jusqu’à présent, elle a défié nos tentatives de détection directe.
Elle n’interagit même pas avec la lumière, c’est pourquoi nous l’appelons matière noire, mais cela ne signifie pas qu’elle est impossible à détecter. Nous pouvons rechercher la matière noire de plusieurs façons.
Nous pouvons essayer de produire de la matière noire à l’aide d’accélérateurs de particules à haute énergie, comme le Grand collisionneur de hadrons du CERN.
Nous pouvons également examiner les régions de l’espace où la matière noire est concentrée, par exemple au centre des galaxies, à la recherche de signes de désintégration de la matière noire en matière ordinaire.
Enfin, nous pouvons rechercher directement des signaux de matière noire en construisant des détecteurs très sensibles capables de détecter lorsqu’une particule de matière noire entre en collision avec une particule de matière ordinaire.
En janvier 2017, les travaux de construction d’un tel détecteur commenceront, à un kilomètre sous terre dans la mine d’or de Stawell, dans l’État de Victoria.
De nombreuses recherches directes de la matière noire sont en cours dans le monde, mais l’expérience du Stawell Underground Physics Laboratory (SUPL) sera la première de ce type dans l’hémisphère sud.
Si nous plaçons les capteurs si profondément sous terre, c’est pour éviter qu’ils ne soient submergés par le bruit indésirable des rayons cosmiques, ces particules de haute énergie qui pleuvent constamment sur la Terre.
Ces rayons cosmiques sont très énergétiques, il faut donc beaucoup de matériel pour les bloquer et les empêcher d’interférer avec l’expérience.
Jusqu’à présent, il n’y a eu qu’une seule déclaration de détection directe de la matière noire par l’expérience DAMA-LIBRA, située dans les profondeurs du laboratoire du Gran Sasso, en Italie.
Elle a utilisé des cristaux d’iodure de sodium dopés au thallium, qui devraient émettre un flash lumineux à peine perceptible si la matière noire entre en collision avec les atomes de matière ordinaire dans les cristaux.
Cependant, cette détection semble être en contradiction avec d’autres expériences. Celles-ci utilisent des matériaux cibles et des méthodes de détection différents, comme les expériences LUX et XENON, qui n’ont pas vu de signaux de matière noire et ont une plus grande sensibilité.
Il s’est avéré très difficile de construire des théories de la matière noire qui permettent à DAMA-LIBRA d’être cohérent avec ces autres recherches expérimentales.
De la matière noire en toutes saisons
On pense que notre galaxie spirale tourne à l’intérieur d’une vaste mer diffuse de matière noire statique. Alors que la galaxie tourne à travers la matière noire, le Soleil subit un “vent” constant de matière noire.
Comme la vitesse de la Terre par rapport à la mer de matière noire qui l’entoure change lorsque la Terre tourne autour du Soleil, nous nous attendons à voir une variation du signal de matière noire au cours d’une année. Cette variation s’appelle une modulation annuelle.
C’est ce que DAMA-LIBRA a signalé. Grâce à une expérience nouvelle et améliorée, appelée SABRE, avec des détecteurs dans les deux hémisphères, nous pouvons exclure tout effet saisonnier qui pourrait donner l’apparence d’une modulation annuelle.
Nous pensons que la mine d’or de Stawell est l’endroit idéal pour réaliser cette expérience. Il s’agit d’une “mine en déclin”, ce qui signifie qu’il y a un chemin en pente menant sous terre qui s’enroule sur lui-même.
Il faut 30 minutes de route pour descendre 15 km de galeries souterraines sinueuses avant d’atteindre le site du laboratoire SUPL.
Le laboratoire principal sera logé dans un vide de 10 mètres de large et de 35 mètres de long, fraîchement creusé dans la roche.
Les murs du vide seront renforcés par des dizaines de longs boulons pénétrant profondément dans la roche environnante, puis les murs seront recouverts d’une épaisse couche de béton projeté pour plus de stabilité.
L’excavation et le renforcement auront lieu au début de 2017 et le laboratoire sera construit à la mi-2017. La composante sud de l’expérience SABRE sera installée dans le laboratoire et commencera à fonctionner à la fin de 2017.
Le laboratoire SUPL devrait accueillir plusieurs autres expériences dans les années à venir, allant de la physique nucléaire aux études des systèmes biologiques dans des environnements extrêmes et à faible rayonnement.
Nous espérons que cette expérience fournira enfin des preuves claires de l’existence de l’insaisissable matière noire.