détection de matière sombre

Personne n'a jamais vu la matière noire, mais elle devrait traverser les détecteurs comme le vent à travers les feuilles. Parfois, très rarement, une particule de matière noire heurte le noyau d'un atome – et le détecteur doit alors capter cette secousse.

Un chasseur tend des collets dans la forêt. Il connaît les habitudes de l'animal, mais ne sait pas s'il se fera prendre. C'est à peu près ainsi que les physiciens installent des détecteurs pour tenter de capturer les particules de matière noire — cette substance invisible qui, pense-t-on, constitue une grande partie de la masse de l'Univers.

Dans la glace antarctique se cache un détecteur de la taille d'un kilomètre cube. Il ne capte pas la lumière, mais des particules fantômes : les neutrinos. Pourtant, il pourrait parfois y apparaître une tout autre bête : une paire de muons nés ensemble et s'éparpillant en un large éventail.

Dans la galaxie NGC 1052 DF2, les étoiles se déplacent à seulement 8 kilomètres par seconde — comme si aucune masse invisible n'était présente. Pour comparaison, dans notre Voie lactée, les étoiles périphériques atteignent 200 kilomètres par seconde, retenues par un halo massif de matière noire.

L'univers résonne de silence. La part du lion de la matière — environ 85 % — reste invisible, ne se manifestant que par la gravité. Déjà Vera Rubin avait montré que les galaxies tournent comme si une masse invisible les enveloppait.

La matière noire ne laisse aucune trace dans les détecteurs ordinaires — elle les traverse comme le vent à travers une étamine. Pour la remarquer, il faut des instruments capables de ressentir le coup d'un moustique dans une tempête.

Dans l'obscurité totale d'une chambre à vide flotte un minuscule aimant. Il ne touche pas les parois et ne perd presque pas d'énergie – un gardien idéal, prêt à capter la plus faible impulsion. C'est exactement le genre de gardien nécessaire pour la chasse aux axions.

L'Univers ressemble à un immense entrepôt où un inventaire rigoureux a été effectué il y a très longtemps. Le rayonnement fossile est un registre ancien de tout ce qui existait 380 000 ans après le Big Bang. Selon ce registre, la proportion de matière dans le « budget » cosmique (le paramètre Oméga_m) est connue avec une grande précision.

Une mer qui imprègne tout l'espace reste invisible pour nous. Cette mer, c'est la matière noire, et les vagues à sa surface sont des particules appelées axions. Elles sont si légères et si insaisissables qu'elles traversent la Terre sans même la remarquer.

Chaque seconde, environ une centaine de particules invisibles traversent notre corps : les muons. Ils naissent haut dans le ciel, lorsque les rayons cosmiques percutent les atomes de l'air, et pleuvent sur la Terre.

Une vieille photographie, prise au moment de la naissance de l'Univers, nous transmet sa lumière depuis près de 14 milliards d'années. Ce cliché, c'est le fond diffus cosmologique, l'écho refroidi du Big Bang. On y voit les infimes irrégularités à partir desquelles les galaxies ont ensuite grandi.

L'histoire a commencé il y a près d'un siècle, lorsque Edwin Hubble a montré que les galaxies s'éloignent, et que Fritz Zwicky et Vera Rubin ont compris plus tard que leurs mouvements nécessitent une masse invisible — la matière noire.

Au tout début, quelques instants après le Big Bang, l'Univers était d'une symétrie presque risible : il y avait autant de particules que d'antiparticules. Mais un déséquilibre s'est produit, minuscule comme un grain de sable en trop dans un kilo de sucre, et tout le monde qui nous est familier — étoiles, planètes, êtres humains — est né de cet excès.

La matière noire échappe toujours à l'observation directe, bien que sa gravité maintienne les galaxies ensemble. Une des hypothèses : elle serait constituée d'axions, des particules très légères prédites par la théorie du modèle standard.

Un cristal plat d'atomes chargés, suspendus dans un piège électromagnétique, fonctionne comme un étang parfaitement lisse. Le moindre souffle – et des rides parcourent sa surface.

Le nuage d'Oort est un essaim sphérique de milliards de corps glacés situé à la limite du Système solaire, à environ une année-lumière du Soleil. Ces objets sont presque immobiles les uns par rapport aux autres, jusqu'à ce qu'une perturbation gravitationnelle vienne troubler leur repos.

Les détecteurs de matière noire classiques ressemblent à un gardien de but qui attend un tir puissant alors que le ballon roule à peine. Les particules invisibles qui remplissent notre Galaxie se déplacent souvent trop lentement pour être repérées par les capteurs sensibles.

Aux confins du système solaire, bien au-delà de l'orbite de Neptune, quelque chose dévie les blocs de glace. Leurs orbites sont allongées et inclinées de la même manière, comme si une main invisible les avait disposées selon un même schéma.

La matière noire, cette masse invisible qui maintient les galaxies ensemble. Sa nature est inconnue, mais l'un des candidats probables est l'axion, une particule ultra-légère qui interagit à peine avec la matière. Pour l'attraper, des physiciens ont créé un piège hybride.

Au Grand collisionneur de hadrons, les protons entrent en collision à une vitesse proche de celle de la lumière. Parfois, ils ne se brisent pas, mais échangent des photons, des particules de lumière.

Les images de galaxies lointaines sont parsemées d'arcs et de taches incurvés : c'est la lumière qui a été déformée en chemin vers nous. Cet effet, prédit par Albert Einstein, agit comme un miroir déformant géant : un amas de galaxies massif déforme les images des sources en arrière-plan.

Dans le froid profond, à une température de seulement deux degrés au-dessus du zéro absolu, une cavité en cuivre de la taille d'une casserole écoute le silence de l'Univers.

Une balle qui ne perce pas une seule cible, mais laisse des traces dans plusieurs couches de blindage. C'est à peu près ainsi que se comporte la matière noire super-lourde, recherchée pour la première fois dans le détecteur DarkSide-50.

Du plomb antique, resté deux mille ans au fond de la mer, est devenu le cœur d'un détecteur qui traque la substance la plus insaisissable de l'Univers. On en a fait croître un cristal transparent de tungstate de plomb de 13 grammes, refroidi presque au zéro absolu.

Depuis que Vera Rubin a démontré de manière convaincante que les galaxies sont entourées d'une substance invisible, la quête de la nature de la matière noire reste l'un des défis majeurs de la physique.

La matière noire est la colle invisible qui empêche les galaxies de se désagréger. Dès les années 1930, Fritz Zwicky l'a soupçonnée, et Vera Rubin a prouvé dans les années 1970 que sans elle, les étoiles s'éparpilleraient.

Le laser à rayons X LCLS-II, en Californie, émet de brèves impulsions puissantes, comme un stroboscope en boîte de nuit. Entre les impulsions, il reste des pauses sombres d'une durée de 26,9 nanosecondes (milliards de seconde).

La fusion de deux étoiles à neutrons, c'est comme un coup de gong : un frémissement de l'espace se propage à travers l'Univers, une onde gravitationnelle. Les détecteurs sur Terre captent ce frémissement et, grâce à son intensité, calculent la distance de la source.

La matière noire est une substance invisible, cinq fois plus abondante dans l'Univers que la matière ordinaire. Ses particules interagissent à peine avec les atomes, mais elles peuvent parfois heurter un électron, comme une corde effleurée par le vent.

L'énigme de la matière noire a été étudiée par Fritz Zwicky et Vera Rubin. Pendant longtemps, on se la représentait comme un échafaudage froid et inerte, qui ne faisait que maintenir les galaxies ensemble.

Dans un immense spectromètre à Karlsruhe, semblable à un gigantesque fût métallique, on capture des particules quasi impossibles à attraper. Les neutrinos sont les fantômes du monde microscopique : chaque seconde, des trillions de ces particules traversent votre corps sans que vous vous en aperceviez. Mais ils ont une masse, et les scientifiques veulent la mesurer.

Dans les années 1930, Fritz Zwicky, en observant l'amas de la Chevelure de Bérénice, a remarqué des vitesses anormalement élevées des galaxies : leur mouvement indiquait la présence d'une immense masse cachée, liant gravitationnellement le système.

Au fond du cryostat, sous les couches de bobines supraconductrices, repose une pile de centaines de couches semiconductrices. Chaque couche a une épaisseur de quelques nanomètres : de l'arséniure de gallium, puis de l'arséniure d'aluminium-gallium. Les électrons à l'intérieur de ces couches sont confinés dans un plan, comme des fourmis sur une feuille de papier.

Une sphère de silicium de 166 nanomètres de diamètre flotte dans un faisceau laser infrarouge. La pression est inférieure à 10⁻⁸ mbar, et la température de mouvement est d'environ 10 millikelvins. C'est plus froid que le rayonnement fossile.