Matière noire : un univers à part ?

Vous est-il déjà arrivé d’être en bord de mer et de vous sentir submergé par son immensité, par la rapidité avec laquelle elle pourrait déferler et vous engloutir ? Des indices suggèrent que nous sommes suspendus dans une mer cosmique de matière noire, une substance mystérieuse qui façonne les galaxies et les grandes structures de l’Univers, mais qui est transparente aux photons, les porteurs de la force électromagnétique. Notre foyer galactique, la Voie lactée, est immergé dans la matière noire. Mais cet océan caché ne nous dévore pas, car ses forces n’ont aucun effet sur la matière ordinaire dont nous sommes constitués. Tout ce que nous savons sur la matière noire provient de la mesure de son attraction gravitationnelle, mais la gravité est la plus faible des forces de la nature. Elle est si faible que les forces électromagnétiques qui lient les atomes entre eux pour en faire une chaise sur laquelle on peut s’asseoir suffisent à contrebalancer la force gravitationnelle de la Terre entière. De la même manière que nous avons besoin de la force électromagnétique pour nous renseigner sur les protons, neutrons, électrons et la richesse de toutes les particules connues – regroupées au sein du modèle standard de la physique des particules –, nous avons besoin d’autre chose que la seule gravité pour percer les secrets du côté sombre de l’Univers. De fait, les trois dernières décennies passées à rechercher la matière noire ont été marquées par des résultats nuls. Et pendant la majeure partie de ce temps, les scientifiques ont centré leur quête sur une hypothétique particule, capable à elle seule d’expliquer la matière noire.

Pas une particule, mais un secteur

Il est cependant possible que la matière noire ne se limite pas à une seule et unique particule, mais se compose de tout un secteur caché de particules et de forces sombres. Dans ce « secteur sombre », les particules interagiraient entre elles à travers leurs propres forces et dynamiques, créant un monde cosmologique caché évoluant en parallèle du nôtre. Il pourrait y avoir des atomes sombres – composés de protons sombres, de neutrons sombres et d’électrons sombres – liés entre eux par une version sombre de l’électromagnétisme. Les porteurs de cette force, les photons sombres, auraient une masse (contrairement à nos photons), permettant ainsi la formation d’énormes noyaux atomiques sombres, appelés « pépites », ou « nuggets », en anglais. Et les dynamiques totalement différentes de la matière noire dans ce secteur sombre auraient divers effets sur l’évolution de la matière ordinaire au cours du temps. Les interactions de ces pépites dans les galaxies seraient notamment susceptibles de contribuer à la formation des trous noirs supermassifs au centre des galaxies, les faisant grandir bien plus qu’ils ne le feraient autrement.

Du fait que d’autres théories plus simples sur la matière noire n’ont pas trouvé de confirmation expérimentale, ce concept du secteur sombre gagne peu à peu en popularité. Avec mes collègues, nous contribuons à élaborer de nouvelles méthodes expérimentales pour rechercher ce type de matière noire et découvrir un secteur du cosmos encore inexploré. Ces expériences s’appuient sur des techniques issues de la physique de la matière condensée. Lorsque je me suis lancé dans la quête de la matière noire en 2005, les physiciens concentraient leurs recherches sur les murmures de la matière noire à travers l’interaction faible. Malgré son nom, la force faible est bien plus forte que la gravité, et les scientifiques suspectaient que la matière noire pourrait interagir avec notre monde par son intermédiaire. Ils ont donc conçu de nombreuses expériences extrêmement sensibles, enterrées sous terre, où tout est calme, dans l’espoir d’entendre de tels murmures. C’était une période excitante, car les astrophysiciens observaient également des données inexpliquées en provenance du centre de la Voie lactée, qui pouvaient être le signe que la matière noire produisait un brouillard de photons à travers une interaction avec la force faible. Je trouvais ces idées fascinantes, mais je n’étais pas convaincu que ce signal de la Voie lactée provenait de la matière noire. Il me semblait prématuré de concentrer la recherche de la matière noire sur des théories liées à la force faible. De plus, de nombreux processus issus de la physique ordinaire produisent ces photons microondes qui émanaient du centre de notre galaxie.

Des énergies beaucoup plus faibles

À la première conférence sur la matière noire à laquelle j’ai assisté après mon doctorat, j’ai fait un pari avec l’un des principaux partisans de l’idée du « brouillard de matière noire », Dan Hooper, de l’université du Wisconsin Madison. Hooper était convaincu que nous pourrions confirmer que ces observations étaient causées par la matière noire dans les cinq années à venir. J’ai adopté une position plus sceptique. L’enjeu du pari ? Le perdant devrait reconnaître que l’autre avait raison dans chacune de ses présentations scientifiques pendant un an. La consolation, si je perdais, était que je pourrais tout de même me réjouir de la découverte de la matière noire. Ce pari allait me suivre pendant les treize années suivantes de ma carrière scientifique.

Parfois, nos hypothèses nous enferment et nous empêchent de trouver les solutions que nous recherchons. Les premières idées sur la nature de la matière noire visaient à résoudre certains problèmes théoriques du modèle standard, qui décrit non seulement les particules connues, mais aussi les forces quantiques (électromagnétisme, force faible et force forte). Deux énigmes de ce modèle sont pourquoi la force faible est-elle tellement plus forte que la gravité (ce que les physiciens appellent « le problème de la hiérarchie ») et pourquoi la force forte – celle qui lie les noyaux atomiques – ne fait-elle pas de distinction entre l’image miroir des particules et les antiparticules (un phénomène connu sous le nom de « problème de la conjugaison de charge et de parité forte », ou « problème du CP fort »).

Les physiciens des particules ont émis l’hypothèse qu’ajouter de nouvelles particules au modèle standard nous aiderait à comprendre pourquoi les particules connues se comportent comme elles le font. Ces nouvelles particules pourraient également exister dans des quantités adéquates pour expliquer la matière noire. Deux catégories de particules ont émergé comme candidates populaires. La première, appelée wimps (pour weakly interacting massive particles, ou particules massives interagissant faiblement), apparaît dans les solutions au problème de la hiérarchie. L’autre ensemble de particules proposé, les axions (nom inspiré d’une marque de détergent, en guise de métaphore pour « nettoyer » le problème), offre une solution au problème du CP fort.

Pour ma part, je pensais qu’il fallait remettre en question le postulat selon lequel la matière noire devait aussi résoudre les problèmes du modèle standard. Les particules que j’imaginais n’interagissaient via aucune des forces du modèle standard – elles auraient leurs propres forces et dynamiques indépendantes – et ne pouvaient donc pas répondre aux mystères de ce modèle. Elles étaient également bien plus légères que les wimps et occupaient une vallée cachée sur l’échelle d’énergie et de masse des particules.

Cette idée, que j’ai proposée vers 2006, allait à contre-courant de la tendance en physique des hautes énergies, qui privilégiait la construction d’énormes expériences, comme le grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN près de Genève, pour produire des particules toujours plus massives, selon les prédictions des théoriciens. À l’inverse, les particules de la vallée cachée évolueraient dans un domaine d’énergie beaucoup plus faible et auraient pu passer inaperçues lors des expériences simplement parce que leurs interactions avec les particules ordinaires sont bien plus faibles que la force faible. En abandonnant l’idée que la matière noire devait nécessairement résoudre le problème de la hiérarchie ou le problème du CP fort, toute une palette de nouveaux modèles devenait théoriquement viable et cohérente avec les observations de notre Univers. Je me suis concentrée sur l’idée que la vallée cachée constituait un hôte naturel pour le secteur de la matière noire. Les dynamiques propres à la matière noire dans ce secteur sombre, bien différentes de celles des wimps, auraient des effets distincts sur l’évolution de la matière ordinaire au cours du temps. Au fil des années, alors que mes collègues et moi étudiions les implications possibles d’un tel secteur sombre, l’éventail des conséquences observables dans notre Univers s’est considérablement élargi. Aujourd’hui, le domaine a radicalement changé. Les théories du secteur sombre ont été renforcées par d’heureuses anomalies expérimentales survenues en cours de route.

La matière noire, source des anomalies ?

Ces anomalies fortuites sont apparues en 2008, lors d’expériences cherchant à détecter la matière noire sous forme de wimps. À cette époque, les expérimentateurs avaient déjà passé deux décennies à construire des détecteurs pour traquer la matière noire censée traverser la Terre en permanence. En 2008, trois de ces expériences ont enregistré une augmentation mystérieuse et inexpliquée du nombre d’« événements » à basse énergie. Dans ce contexte, un événement signifie qu’une particule unique de matière noire aurait pu percuter un noyau atomique ordinaire dans le détecteur et lui transmettre un sursaut d’énergie. Les expériences ont ainsi enregistré des événements susceptibles d’avoir été causés par des particules de matière noire dont la masse équivaudrait à quelques fois celle du neutron. L’excès d’événements observé m’a électrisée, car il était cohérent avec les prédictions d’une théorie sur la matière noire de la vallée cachée que j’avais proposée l’année précédente. Je l’avais baptisée « matière noire asymétrique ». Cette théorie repose sur l’idée que la quantité de matière noire dans l’Univers est déterminée par la façon dont elle interagit avec les neutrons et les électrons. En prenant cette valeur issue de la théorie et en la combinant avec la masse totale de toute la matière noire présente dans l’espace (connue grâce aux observations astronomiques), on peut calculer la masse des particules les plus courantes du secteur sombre. Il s’avère que ces particules théoriques devraient avoir une masse similaire à celle des neutrons – exactement ce que les expériences semblaient observer.

L’apparition de ces anomalies a popularisé le domaine de la matière noire du secteur caché. Les sites de dépôts d’articles en ligne regroupant les nouvelles publications de physique ont été inondés d’études proposant diverses explications à ces excès, explorant différents types de secteurs cachés. Soudain, j’ai eu l’impression que j’allais peut-être perdre mon pari que la matière noire persisterait à rester inaccessible. Mais les observations et les théories ne s’alignaient pas parfaitement, et les modèles devenaient de plus en plus baroques et tortueux pour essayer de coller aux données expérimentales. En 2011, ma conviction que ces anomalies pouvaient être des preuves de la matière noire s’est estompée.

Tout le monde n’était pas du même avis. Hooper, éternel optimiste, restait persuadé que ces anomalies pouvaient être la matière noire. Il a donc renchéri sur le pari, ajoutant deux bouteilles de vin haut de gamme. Mais avec le temps, des vérifications plus poussées des anomalies ont convaincu la plupart des physiciens que ces observations avaient probablement une explication plus banale – comme un signal de fond ou des effets liés aux détecteurs contaminant les données. Mes bouteilles de vin haut de gamme, envoyées par Hooper, sont finalement arrivées pendant la pandémie, en 2020.

Mais ce n’était pas le fin mot de l’histoire. L’impact à long terme de ces anomalies a ouvert l’esprit des chercheurs à de nouvelles théories sur la matière noire, au-delà des wimps et des axions. Ce changement a été renforcé par le fait qu’après des décennies d’expériences dédiées à la recherche des wimps et des axions, aucune trace de ces particules n’avait été trouvée. Même le LHC, dont beaucoup de scientifiques espéraient qu’il mettrait en évidence les wimps et d’autres particules nouvelles, n’a rien trouvé de nouveau, à part la dernière pièce manquante du modèle standard des particules, le boson de Higgs.

Les outils de la matière condensée

En 2014, j’ai quitté l’université du Michigan pour rejoindre le Lawrence Berkeley National Laboratory, où j’ai délaissé les théories sur la matière noire pour me consacrer à de nouvelles méthodes pour la détecter. Travailler dans ce domaine a radicalement élargi mes horizons en physique. J’ai appris qu’étudier les forces fondamentales de la nature ne suffisait pas à comprendre comment la matière noire pourrait interagir avec la matière ordinaire. Pour des échanges aussi rares et faibles entre particules, les interactions entre les constituants fondamentaux de la matière (les nucléons et les électrons dans les atomes) deviennent primordiales. En d’autres termes, pour comprendre comment une particule de matière noire pourrait affecter un atome classique, il faut considérer les petites interactions subtiles entre les atomes organisés en réseau cristallin dans un matériau. Imaginez un matelas à ressorts à l’ancienne : si l’on appuie sur un ressort, des ondes se propagent à travers tout le matelas. Puisque de nombreux matériaux fonctionnent de cette manière, il était logique de penser que si la matière noire venait à perturber un seul atome dans un réseau de matière « normale », cette perturbation se propagerait à travers le matériau. Ces perturbations collectives, impliquant un grand nombre d’atomes, sont de nature quantique et portent le nom de « phonons » ou « magnons ». L’étude des phonons relève de la physique de la matière condensée et de la physique des solides, qui se concentrent sur les effets collectifs des atomes au sein des matériaux. Puisque les matériaux peuvent être constitués de nombreux types d’atomes et de molécules, avec des liaisons chimiques différentes, les perturbations collectives prennent de nombreuses formes, donnant naissance à un véritable zoo d’interactions possibles.

L’un de mes défis était de comprendre comment la matière noire pourrait interagir avec ces phénomènes collectifs. Pour cela, j’avais besoin d’un modèle efficace capable de décrire tous ces effets complexes avec seulement quelques paramètres. J’ai découvert que je pouvais prédire la probabilité d’interaction entre différents types de matière noire et un matériau, à condition que la force régissant cette interaction soit la même que celle responsable de l’abondance de la matière noire dans l’Univers. J’ai cependant fait face à des obstacles pratiques. Tous les physiciens ne parlent pas le même langage scientifique. De plus, chaque domaine de la physique se concentre généralement sur un nombre restreint de questions lorsqu’il étudie un système physique. Or, mes questions étaient très différentes de celles qui intéressent la majorité des physiciens de la matière condensée. Et en tant que spécialiste de la matière noire collaborant pour la première fois avec eux sur les excitations collectives, je devais surmonter certaines barrières. Une fois que j’ai réussi à reformuler mon approche du problème des interactions de la matière noire dans le jargon de la physique de la matière condensée et de la physique atomique, mes étudiants, mes postdoctorants et moi-même avons pu progresser beaucoup plus rapidement. Avec le temps, un nouveau monde de phénomènes collectifs s’est ouvert à nous. Nous avons découvert que les physiciens de la matière condensée, de la physique atomique, moléculaire et optique, prenaient finalement plaisir à utiliser leurs matériaux et mécanismes de détection pour chasser la matière noire. Après plusieurs années à explorer un foisonnement d’idées, nous avons réalisé que nous ne devions nous concentrer que sur quelques options de développement expérimental. Nous avons finalement retenu deux matériaux qui semblaient être des cibles intéressantes, à la fois pour leur interaction fondamentale avec la matière noire et pour leur faisabilité expérimentale. Nous travaillons désormais activement à la conception d’expériences basées sur ces matériaux, que nous espérons réaliser dans les prochaines années. La première catégorie est celle des matériaux polaires, comme le quartz et le saphir, qui produisent des phonons avec une énergie collective bien adaptée aux interactions avec la matière noire et qui semblent susceptibles d’interagir avec un photon sombre. Le second matériau est l’hélium superfluide, qui nous donne l’opportunité d’éviter nombre des défauts des matériaux solides à réseau cristallin. Ce liquide contient des noyaux légers qui pourraient avoir une bonne probabilité d’interagir avec la matière noire.

Pour les prochaines étapes, nos partenaires expérimentaux ouvrent la voie. Mes anciens collègues du Lawrence Berkeley National Laboratory ont développé deux des idées les plus prometteuses. Matt C. Pyle a proposé une expérience appelée SPICE (Sub-ev polar interactions cryogenic experiment), qui utiliserait un matériau polaire tel que le saphir comme détecteur. Un autre expérimentateur, Daniel N. McKinsey, a imaginé le projet Herald (Helium and roton liquid detector), qui s’appuierait sur de l’hélium superfluide.

Nos travaux théoriques suggèrent que de petits échantillons des matériaux cibles – un kilogramme ou moins – suffiraient pour commencer à tester nos théories. Même si la quantité de matière nécessaire reste modeste, ces échantillons devront être exempts de défauts et placés dans des environnements extrêmement calmes et sans contaminants. Heureusement, grâce aux précédentes générations d’expériences sur la matière noire cherchant des wimps, Matt C. Pyle et Daniel N. McKinsey ont déjà acquis une expertise dans la réduction des sources de bruit et de radioactivité, en travaillant dans des laboratoires souterrains profonds.

Bien que toutes les idées théoriques soient en place pour ces expériences, leur mise en œuvre prendra beaucoup de temps. Les deux projets ont reçu un financement du bureau des sciences du département de l’énergie des États-Unis. Cependant, au cours des quatre à cinq dernières années, nous avons découvert de nouveaux processus parasites qui pourraient imiter les signaux que nous chassons, si bien que nous devrons trouver un moyen de les bloquer. À cause de ces bruits de fond importants, les détecteurs ne sont pas encore assez sensibles pour détecter la matière noire. Comme pour les premières générations d’expériences sur les wimps, il pourrait falloir une décennie ou plus pour rendre ces détecteurs suffisamment silencieux. Néanmoins, ce que nous avons accompli ces vingt dernières années a radicalement élargi le champ des théories possibles sur la matière noire et les façons de la détecter. La nature fondamentale de la matière noire, qui emplit notre Univers, reste encore un mystère. Lorsque je travaille sur ce problème, j’aime penser à la construction des cathédrales des siècles passées, qui ont été construites sur plusieurs générations, chaque pierre étant soigneusement placée sur la précédente. En bâtissant petit à petit notre compréhension de la matière noire, nous espérons parvenir à celle de tous les constituants de la nature.