Un détecteur de matière sombre basé sur un carillon à vent semble assez étrange pour fonctionner

Les physiciens de la matière noire peuvent avoir l’un des emplois les plus frustrants de la science. Leur travail traite de quelque chose qui doit, selon presque tous les modèles de l’univers, exister. Mais nous n’avons jamais trouvé de preuve directe de la matière noire. Là où d’autres scientifiques peuvent capturer leurs sujets dans un laboratoire et y effectuer des expériences, les spécialistes de la matière noire ne se retrouvent avec rien d’autre qu’un ensemble alléchant d’indices. C’est comme étudier les fantômes – si les fantômes étaient réels et constituaient également un quart de la matière dans l’univers connu.

Les scientifiques qui étudient la matière noire pourrait également être pardonné de se sentir un peu plus anxieux ces derniers temps. Un certain nombre d’expériences coûteuses destinées à trouver certains des principaux candidats à la matière noire ont est arrivé les mains vides.

«Maintenant, c’est une sorte de saison ouverte», a déclaré Daniel Carney, physicien théoricien à l’Université du Maryland, au National Institute of Standards and Technology et au Fermilab. «Les physiciens s’efforcent vraiment de trouver de nouvelles façons de rechercher la matière noire et les nouveaux types de matière noire qui pourraient être présents.»

Carney pense qu’il pourrait avoir une solution potentielle. La seule chose que nous savons sur la matière noire, c’est qu’elle exerce une attraction gravitationnelle. Alors pourquoi ne pas le chercher de cette façon?

Aussi simple que cela puisse paraître, c’est une approche qui n’a jamais été tentée auparavant, en grande partie parce que la conception d’une telle expérience implique des calibrages si exquis qu’ils semblent presque improbables. Mais Carney et un petit groupe de scientifiques ont commencé à travailler sur un prototype qui, selon eux, pourrait un jour conduire à un détecteur capable de localiser la minute d’attraction gravitationnelle d’une particule que nous ne pouvons ni voir ni ressentir.

Le détecteur est de conception simple – imaginez une boîte pleine de minuscules perles suspendues ou suspendues dans les airs – mais la théorie derrière sa construction revient à repenser fondamentalement la recherche de matière noire.

Les astronomes ont découvert pour la première fois des indices de matière noire il y a plus d’un siècle, à partir d’observations sur la façon dont les étoiles se déplaçaient autour de la Voie lactée. Depuis lors, plus de preuves se sont accumulées. Cela se résume en grande partie au fait qu’à grande échelle, les choses dans l’univers se déplacent d’une manière que les lois de la gravité ne peuvent expliquer. Les galaxies tournent si vite qu’elles devraient s’envoler; de même, les amas de galaxies ne se déplacent pas selon notre compréhension actuelle de la gravité. D’autres éléments de preuve proviennent de la façon dont les galaxies plient la lumière autour d’elles et de la façon dont le fond cosmique des micro-ondes (restes de lumière du Big Bang) rayonne de l’énergie.

Tout cela s’ajoute au fait que l’univers devrait avoir beaucoup plus de masse que ce que nous pouvons voir. La matière visible représente environ 5% de la masse de l’univers – la matière noire devrait représenter environ cinq fois plus.

Mais d’où vient cette masse est une question très ouverte. Les physiciens ont proposé de nombreuses théories sur la matière noire, comme une classe de nouvelle particule connue sous le nom de particules massives à faible interaction ou WIMP. Pendant des années, les WIMP ont été l’un des principaux candidats à la matière noire et les physiciens ont conçu des expériences élaborées pour les attraper. Celles-ci comprenaient des piscines géantes de xénon liquide, destinées à émettre un flash de lumière en cas de passage d’un WIMP.

Mais, près de 15 ans plus tard, les physiciens attendent toujours ce flash. Et un certain nombre de théories alternatives pour la matière noire – qu’elle provienne de particules théoriques appelées axions, ou des trous noirs primordiaux, ou simplement que notre compréhension de la gravité est fausse – ont également échoué à fournir des informations concrètes.

C’est en grande partie la raison pour laquelle Carney propose de ramener la recherche à la vision de base que la matière noire doit avoir une masse.

«C’est l’approche la plus simple, en fait», dit-il. «Littéralement, la seule chose que vous en savez, c’est qu’elle gravite; il attire la matière normale par gravitation.

Leur conception proposée ressemble à quelque chose comme un carillon à vent, selon Carney. Un milliard de minuscules capteurs seraient suspendus immobiles dans un espace clos, surveillés par un réseau extrêmement précis de lasers capables de mesurer des mouvements de moins d’une fraction du diamètre d’un proton.

Carney fait partie de la collaboration Windchime, qui porte bien son nom, un groupe nouvellement formé de 19 scientifiques de diverses institutions voués à l’exploration du potentiel d’un détecteur gravitationnel de matière noire.

Les spécificités du détecteur sont encore quelque peu en suspens. Les capteurs peuvent être suspendus à de fines cordes ou être lévités par des aimants. Ou, ils peuvent utiliser des accéléromètres, similaires à ceux de nos téléphones mais beaucoup plus sensibles, pour surveiller les changements de position.

Parce que nous savons que la matière noire gravite, toute particule de matière noire passant à travers exercerait une minuscule attraction gravitationnelle sur les capteurs, les secouant de manière reconnaissable. Carney compare la matière noire au vent qui agite les barres d’un carillon à vent, les faisant vibrer.

Mais si la matière noire est le vent, l’attraper reviendrait à détecter un soupir au milieu d’un ouragan. Passages de voitures, bruits de pas, rafales de vent réelles – ils secouaient tous les capteurs, ce qui rendait la détection du passage d’une minuscule particule extrêmement difficile.

Pour cette raison, la gravité ne serait le premier choix de personne lorsqu’il s’agit de trouver de la matière noire, a déclaré Rafael Lang, physicien chez Purdue et autre membre de la collaboration.

« Oh, c’est une manière horrible, parce que la gravité est si faible, » dit-il. «C’est incroyablement difficile. C’est vraiment, vraiment mauvais. Tout le reste vaut mieux que la gravité.

Pourtant, a déclaré Lang, le détecteur gravitationnel l’a intrigué plus que presque tout autre projet de matière noire qu’il a vu, suffisamment pour surmonter ses réserves sur les défauts fondamentaux de l’utilisation de la gravité pour la rechercher.

«Il voit grand», a déclaré Lang. «Cela va être très difficile, mais je pense que c’est très, très excitant.

Les scientifiques suivent en partie une piste tracée par une autre expérience, la collaboration LIGO qui premières ondes gravitationnelles détectées en 2015. Ce détecteur s’appuie également sur des mesures très précises d’objets pour ses observations. Les lasers qui rebondissent entre les miroirs suivent leur position avec une précision extraordinaire, suffisamment pour détecter l’étirement et la contraction infimes de l’espace-temps qui se produit lorsqu’une onde gravitationnelle se propage.

LIGO, a expliqué Lang, a montré qu’il est possible de faire le type de mesures ultra-précises nécessaires au fonctionnement du détecteur proposé. Cette expérience doit également tenir compte de toutes sortes de bruits potentiellement perturbateurs, y compris les vagues de l’océan, l’activité sismique et même les molécules de gaz rebondissant sur les miroirs. Malgré tout cela, LIGO est capable de maintenir les miroirs suffisamment stables pour détecter des mouvements inférieurs à 1/10 000e du diamètre d’un proton.

Le détecteur de la collaboration Windchime aurait besoin d’être encore plus précis. Le détecteur devrait être si précis que même les fluctuations quantiques, celles provoquées à de très petites échelles par l’incertitude fondamentale de la position d’une particule subatomique, pourraient perturber la sensibilité des détecteurs, comme Carney détaille dans un article récent dans Physical Review D. Le bruit quantique est également un facteur chez LIGO, et l’expérience a mis au point plusieurs façons de le gérer, notamment en utilisant une forme de lumière qui a été manipulée pour étouffer les fluctuations quantiques. Mais pour être encore plus précis, a déclaré Carney, il faudra des années, voire des décennies de travail supplémentaire.

À l’heure actuelle, la collaboration Windchime en est aux premières étapes de la construction d’un prototype simple du détecteur. Cette première preuve de concept devrait être suffisamment sensible, pense Carney, pour peut-être sentir une boule de bowling qui passe. Les versions ultérieures du détecteur augmenteront considérablement la sensibilité, passant du domaine des loisirs humains aux particules subatomiques et au-delà.

Même si le détecteur est construit, sa recherche peut ne rien révéler du tout. Les candidats potentiels à la matière noire ont des masses couvrant environ 90 ordres de grandeur, une énorme bande qui couvre tout, des particules subatomiques aux étoiles. Leur détecteur pourra rechercher des particules dont les masses ne couvrent que deux ou trois ordres de grandeur centrés autour d’un cent millième de gramme.

Pourtant, cette gamme couvre quelques explications différentes proposées pour la matière noire, y compris le nom fantaisiste pépites de quark foncé ou la vestiges de trous noirs primordiaux passant à travers le détecteur.

Pépites de Quark ou non, un carillon de vent détectant la matière noire serait un type d’expérience entièrement nouveau pour les scientifiques, offrant la promesse alléchante de nouvelles découvertes.

«Jusqu’à l’année dernière, personne n’avait rêvé d’un tel appareil», a déclaré Lang. «Et maintenant, nous commençons à le construire.»

Nathaniel Scharping est un écrivain scientifique de Milwaukee. Suivez-le sur Twitter @NathanielScharp.