Et si je vous disais que même si vous ne pouvez pas voir la matière noire, vous pouvez peut-être l'entendre ? Je sais, je sais, ça a l'air fou… et c'est fou. Mais c'est assez fou pour que ça puisse marcher. C'est une expérience réelle, appelée… laissez-moi voir ici… la recherche d'événements rares cryogéniques avec des thermomètres supraconducteurs, ou CRESST – c'est un double s au cas où vous ne l'auriez pas compris. Écoutez, ce n'est pas le meilleur des acronymes, mais nous allons simplement nous y contenter.
L'expérience est enfouie profondément sous la montagne du Gran Sasso, dans le centre de l'Italie (qui, soit dit en passant, Gran Sasso signifie « grand rocher » en italien au cas où vous auriez besoin de quelques anecdotes bonus lors de votre prochain rendez-vous), et elle consiste en un cristal géant de tungstate de calcium, également connu sous le nom de Scheelite. Le cristal est refroidi jusqu’à quelques millikelvins seulement, juste au bord de son état supraconducteur.
L’idée est que si une particule de matière noire croise le détecteur, cela fera vibrer le cristal (l’énergie doit aller quelque part, après tout), ce qui perturbera l’état supraconducteur et produira une détection.
CRESST fonctionne depuis des années et n'a pas encore détecté de particule de matière noire. Mais en science, une expérience n’est un échec que si l’on n’apprend pas quelque chose, et nous avons définitivement appris sur la matière noire avec l’expérience CRESST. Plus précisément, nous avons appris ce que la matière noire n’est pas.
Dans les articles publiés sur les expériences de détection de matière noire, vous trouverez souvent des tableaux et des graphiques ressemblant à ceci. N'oubliez pas que nous ne connaissons pas l'identité de la particule de matière noire. Nous avons quelques suppositions basées sur diverses théories et concepts, mais en fin de compte, nous ne connaissons pas les propriétés précises de cette particule. Plus précisément, nous ne connaissons pas sa masse ni avec quelle facilité/rarement il interagit avec la matière normale.
Nous avons certaines limites dans nos observations de l'univers au sens large et nous avons pu éliminer de nombreuses possibilités, comme les neutrinos. Mais après ça, c'est un jeu équitable. Cela signifie que nous avons deux emplois. D’une part, nous devons trouver des candidats raisonnables et bien motivés, ce qui implique beaucoup de réflexions créatives, de théories et de conjectures. Et d’un autre côté, nous devons proposer des expériences qui peuvent exclure des candidats spécifiques ou, à défaut, fixer des limites plus précises aux types de propriétés que peut avoir la matière noire.
C’est ainsi que nous obtenons des graphiques comme celui-ci, qui montrent comment cette expérience particulière a exclu certaines plages de masse et forces d’interaction de la matière noire. En effectuant simplement l'expérience et en ne voyant rien au bout d'un certain temps, vous pouvez dire avec certitude quelles propriétés de la matière noire sont exclues : vous pouvez dire que la matière noire NE PEUT PAS être cette masse particulière avec cette force d'interaction particulière. Et puis vous recommencez, encore et encore. Et bien sûr, vous ne faites pas qu’une seule expérience. N’oubliez pas que la matière noire peut avoir une grande variété de masses et de forces d’interaction, et qu’aucune expérience n’est capable de couvrir l’ensemble de la gamme.
La masse possible de la particule de matière noire peut s’étendre sur une plage de plus de 50 ordres de grandeur. Puisqu’il s’agit d’une particule, nous devons utiliser le langage de la physique des particules, ce qui signifie que nous exprimons la masse en termes d’électrons-volts, ou eV. En gros, une particule individuelle de matière noire pourrait peser 1024—1030 eV, qui se situe quelque part entre la masse d’une bactérie et celle d’un petit insecte. Nous ne pensons généralement pas que les particules de matière noire puissent devenir beaucoup plus grosses que cela, car tout ce qui a la masse, par exemple, d'une planète ou d'une étoile serait déjà apparu dans les observations par lentille gravitationnelle.
À l’autre extrémité du spectre, nous pouvons avoir des particules de matière noire ultra-légères allant jusqu’à 10-21 électrons-volts, ce qui ouvre des opportunités vraiment amusantes dont je parlerai dans un instant.
Mais pendant des décennies, notre principal candidat en matière de matière noire était le WIMP, cette particule massive à interaction faible, dont nous pensions qu'elle avait une gamme de masse de quelques milliards ou billions d'électrons-volts, qui se situe dans la gamme de masse similaire aux particules lourdes connues comme les bosons W et Z et le quark top. Si grand, mais pas trop grand. Nous avons aimé le WIMP car diverses extensions théoriques du modèle standard prédisaient l'existence d'une particule dans cette plage de masse et avec les bonnes propriétés (c'est-à-dire, pour la plupart invisibles).
Je n'arrêterai jamais de dire ceci : les WIMP ne sont pas la plus grande idée de toute la physique, et toute l'hypothèse de la matière noire repose entièrement sur des preuves circonstancielles. Mais de toutes les options dont nous disposons, c’est la moins mauvaise que nous ayons. C'est l'explication LA PLUS SIMPLE pour le plus grand nombre d'observations. C'est l'expression de ce concept que nous utilisons beaucoup en physique, qui est la parcimonie. Nous traitons les idées théoriques comme des étudiants diplômés : comment obtenir le plus de travail avec le moins d'effort, ou comment obtenir le plus de pouvoir explicatif à partir du moins d'hypothèses possibles.
L'hypothèse de la matière noire a ses défauts et n'est certainement pas en mesure d'expliquer toutes les observations, et les WIMP ne sont qu'un cheveu au-dessus des particules de conte de fées imaginaires. Mais toute autre hypothèse comporte à la fois plus d’hypothèses (plus de pièces mobiles) ET moins de pouvoir explicatif (correspond à moins d’observations).
Alors… haussez les épaules… WIMPs, c'est vrai.
Jusqu'à ce que ce ne soit pas le cas. C'est parce que nous pouvons présenter tous les arguments que nous voulons, à longueur de journée, sur la parcimonie, les observations et les alternatives, mais en science, la nature est l'arbitre ultime pour décider quelles idées restent et quelles idées disparaissent. Nous avons besoin d’une vérification expérimentale directe et concrète si nous voulons suivre l’histoire de la matière noire, et c’est exactement pourquoi nous avons construit des expériences comme CRESST : pour partir à la chasse aux WIMPs, collecter quelques prix Nobel et passer à d’autres énigmes cosmologiques passionnantes non résolues.
Nous avons mené des dizaines d'expériences de détection directe dans le monde entier à la recherche de WIMPS, des particules de matière noire dans cette plage de masse particulière. Et ce ne sont pas toutes les mêmes expériences. Il y a aussi les scintillateurs, qui utilisent une cuve géante de gaz rares liquéfiés, comme plusieurs tonnes de xénon. Ils attendent qu'une particule de matière noire frappe le xénon et le fasse scintiller, ce qui est un mot scientifique sophistiqué pour « étincelle ». Nous voyons l'étincelle ; nous détectons la matière noire.
Les WIMP ne sont pas seuls. Ils ne sont qu'un exemple d'une classe plus large de candidats à la matière noire, avec des noms charmants comme Q-balls, WIMPzillas et neutrinos stériles. Nous avons ajusté nos différentes expériences pour capturer différentes plages de masse ou forces d'interaction afin de couvrir autant que possible ce large spectre de matière noire. Nous avons même essayé de fabriquer différents types de matière noire dans nos expériences sur des collisionneurs de particules.
Et nous n'avons rien trouvé.
