Environ 80% de toute la matière dans le cosmos est d'une forme complètement inconnue de la physique actuelle. Nous l'appelons matière noire, car du mieux que nous pouvons dire, c'est… sombre. Des expériences à travers le monde tentent de capturer une particule de matière noire errante dans l'espoir de la comprendre, mais jusqu'à présent, elles se sont révélées vides.
Récemment, une équipe de théoriciens a proposé une nouvelle façon de chasser la matière noire en utilisant d'étranges "particules" appelées magnons, un nom que je n'ai pas inventé. Ces minuscules ondulations pourraient attirer même une particule de matière noire légère et éphémère hors de leur cachette, disent ces théoriciens.
Le puzzle de la matière noire
Nous savons toutes sortes de choses sur la matière noire, à l'exception notable de ce qu'elle est.
Même si nous ne pouvons pas le détecter directement, nous voyons la preuve de la matière noire dès que nous ouvrons nos télescopes à l'univers plus large. La première révélation, remontant aux années 1930, est venue d'observations d'amas de galaxies, certaines des plus grandes structures de l'univers. Les galaxies qui les habitaient se déplaçaient tout simplement trop rapidement pour être regroupées. C'est parce que la masse collective des galaxies donne la colle gravitationnelle qui maintient le groupe ensemble - plus la masse est grande, plus cette colle est forte. Une colle très résistante peut tenir ensemble même les galaxies qui se déplacent le plus rapidement. Plus vite et le cluster se déchirerait tout simplement.
Mais là, les amas existaient, avec des galaxies qui bourdonnaient en leur sein bien plus rapidement qu'elles ne le devraient étant donné la masse de l'amas. Quelque chose avait suffisamment d'adhérence gravitationnelle pour maintenir les amas ensemble, mais ce quelque chose n'émettait pas ou n'interagissait pas avec la lumière.
Ce mystère a persisté sans être résolu au fil des décennies, et dans les années 1970, l'astronome Vera Rubin a augmenté la mise de façon considérable grâce à des observations d'étoiles dans les galaxies. Encore une fois, les choses allaient trop vite: étant donné leur masse observée, les galaxies de notre univers auraient dû se séparer il y a des milliards d'années. Quelque chose les tenait ensemble. Quelque chose d'invisible.
L'histoire se répète à travers le cosmos, à la fois dans le temps et dans l'espace. De la première lumière du Big Bang aux plus grandes structures de l'univers, quelque chose de génial est là-bas.
Recherche dans le noir
La matière noire est donc très présente - nous ne pouvons trouver aucune autre hypothèse viable pour expliquer le tsunami de données à l'appui de son existence. Mais qu'est-ce que c'est? Notre meilleure supposition est que la matière noire est une sorte de nouvelle particule exotique, jusqu'alors inconnue de la physique. Dans cette image, la matière noire inonde chaque galaxie. En fait, la partie visible d'une galaxie, vue à travers les étoiles et les nuages de gaz et de poussière, n'est qu'un minuscule phare posé contre un rivage beaucoup plus grand et plus sombre. Chaque galaxie se trouve dans un grand "halo" composé de zillions sur des zillions de particules de matière noire.
Ces particules de matière noire circulent dans votre chambre en ce moment. Ils coulent à travers vous. Une averse de pluie sans fin sur de minuscules particules de matière noire invisibles. Mais vous ne les remarquez tout simplement pas. Ils n'interagissent pas avec la lumière ou avec les particules chargées. Vous êtes fait de particules chargées et vous êtes très amical avec la lumière; vous êtes invisible à la matière noire et la matière noire vous est invisible. La seule façon dont nous «voyons» la matière noire est par la force gravitationnelle; la gravité remarque toutes les formes de matière et d'énergie dans l'univers, sombres ou non, donc aux plus grandes échelles, nous observons l'influence de la masse combinée de toutes ces innombrables particules. Mais ici dans ta chambre? Rien.
À moins, nous l'espérons, qu'il existe une autre manière dont la matière noire interagit avec la matière normale. Il est possible que la particule de matière noire, quelle qu'elle soit, ressent également la faible force nucléaire - qui est responsable de la désintégration radioactive - ouvrant une nouvelle fenêtre sur ce royaume caché. Imaginez construire un détecteur géant, juste une grande masse de tout élément que vous avez à portée de main. Des particules de matière noire la traversent, presque toutes sans danger. Mais parfois, avec une rareté en fonction du modèle particulier de matière noire, la particule qui passe interagit avec l'un des noyaux atomiques des éléments dans le détecteur via la faible force nucléaire, la faisant tomber à sa place et rendant toute la masse du détecteur trembler.
Entrez dans le magnon
Cette configuration expérimentale ne fonctionne que si la particule de matière noire est relativement lourde, ce qui lui donne suffisamment de punch pour assommer un noyau dans l'une de ces rares interactions. Mais jusqu'à présent, aucun des détecteurs de matière noire du monde n'a vu de trace d'interaction, même après des années et des années de recherches. Au fur et à mesure que les expériences ont progressé, les propriétés admissibles de la matière noire ont été lentement exclues. Ce n'est pas nécessairement une mauvaise chose; nous ne savons tout simplement pas de quoi la matière noire est faite, donc plus nous en savons sur ce qu'elle n'est pas, plus l'image de ce qu'elle pourrait être est claire.
Mais le manque de résultats peut être un peu inquiétant. Les candidats les plus lourds pour la matière noire sont exclus, et si la mystérieuse particule est trop légère, elle ne sera jamais vue dans les détecteurs tels qu'ils sont installés en ce moment. Autrement dit, à moins qu'il n'y ait une autre façon dont la matière noire peut parler à la matière ordinaire.
Dans un article récent publié dans la revue en ligne préimprimée arXiv, les physiciens détaillent une configuration expérimentale proposée qui pourrait repérer une particule de matière noire en train de changer le spin des électrons (si, en fait, la matière noire peut le faire). Dans cette configuration, la matière noire peut potentiellement être détectée, même si la particule suspecte est très légère. Il peut le faire en créant des soi-disant magnons dans le matériau.
Imaginez que vous avez un morceau de matériau à une température de zéro absolu. Tous les tours - comme de minuscules petits aimants en barre - de tous les électrons dans cette matière pointeront dans la même direction. Lorsque vous augmentez lentement la température, certains électrons commencent à se réveiller, à se tortiller et à pointer au hasard leurs tours dans la direction opposée. Plus vous augmentez la température, plus les électrons s'enroulent - et chacun de ces flips réduit légèrement la force magnétique. Chacun de ces tours inversés provoque également une petite ondulation dans l'énergie du matériau, et ces mouvements peuvent être considérés comme une quasi-particule, pas une vraie particule, mais quelque chose que vous pouvez décrire en mathématiques de cette façon. Ces quasiparticules sont appelées «magnons», probablement parce qu'elles ressemblent à de minuscules petits aimants mignons.
Donc, si vous commencez avec un matériau vraiment froid, et que suffisamment de particules de matière noire frappent le matériau et retournent quelques tours, vous observerez des magnons. En raison de la sensibilité de l'expérience et de la nature des interactions, cette configuration peut détecter une particule de matière noire légère.
Autrement dit, s'il existe.
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de Votre place dans l'univers.
