Dans les coulisses de la vertigineuse traque scientifique de la matière noire

The Daily Beast par Anthony Williams, professeur de physique, Université d'Adélaïde

La matière noire est censée être cinq fois plus répandue dans l'univers que la matière ordinaire. Mais elle interagit si faiblement avec d'autres éléments, comme les protons et les électrons qui composent les choses autour de nous, que jusqu’à ce jour, elle a défié nos tentatives pour la détecter directement. Elle n'a même pas d'interaction avec la lumière, c’est pourquoi nous l'appelons matière "noire".

Mais cela ne signifie pas qu'elle soit impossible à détecter. Nous pouvons chercher la matière noire de plusieurs façons. Nous pouvons essayer de produire de la matière noire en utilisant des accélérateurs de particules de haute énergie, tels que le Grand collisionneur de hadrons du CERN. Nous pouvons également regarder dans les régions de l'espace où la matière noire est concentrée, comme dans les centres des galaxies, pour trouver des signes de décomposition de la matière noire dans la matière ordinaire. Enfin, nous pouvons directement rechercher des signaux de la matière noire en construisant des détecteurs très sensibles qui peuvent détecter quand une particule de matière noire heurte une particule de matière ordinaire.

En janvier 2017, les travaux commenceront pour la construction d'un tel détecteur, à un kilomètre sous terre, dans la mine d'or de Stawell à Victoria, en Australie. Il y a beaucoup de recherches différentes de matière noire en cours dans le monde entier, mais l'expérience du Stawell Underground Physics Laboratory (SUPL) sera la premiere du genre dans l'hémisphère sud.

Nous mettons les capteurs très profondément dans le sous-sol pour les empêcher d'être submergés par les effets parasites des rayons cosmiques, les particules de haute énergie qui ne cessent de pleuvoir sur la Terre. Ces rayons cosmiques ont beaucoup d’énergie, donc il faut beaucoup de matière pour les bloquer et les empêcher d'interférer avec l'expérience.

Jusqu'à présent, il n'y a eu qu'une seule allégation de détection directe de la matière noire avec l'expérience DAMA-LIBRA, sous terre dans le laboratoire de Gran Sasso, en Italie. On a utilisé des cristaux d'iodure de sodium dopés au thallium, ce qui devait provoquer un éclair de lumière à peine perceptible si la matière noire entrait en collision avec les atomes de la matière ordinaire contenus dans les cristaux.

Cependant, cette détection semble être incompatible avec d'autres expériences. Celles-ci utilisent différents matériaux cibles et méthodes de détection, tels que les expériences LUX et XENON, qui n’ont pas détecté de signaux de matière noire et ont une plus grande sensibilité. Il a été très difficile d’élaborer des théories sur la matière noire qui permettent que l’expérience DAMA-LIBRA soit compatible avec les autres recherches expérimentales qui n’ont jamais abouti au même résultat. Notre galaxie est considérée comme tournant à l'intérieur d’un océan de matière noire statique. Comme la galaxie tourne à travers la matière noire, le Soleil connaît un "vent" constante de matière noire.

Parce que la vitesse de la Terre par rapport à la mer de la matière noire qui nous entoure change pendant que la Terre tourne autour du Soleil, nous nous attendons à voir une variation du signal de la matière noire au cours d'une année. Cette variation est appelée une modulation annuelle. Voici ce que DAMA-LIBRA nous dit. Avec une nouvelle expérience, appelée SABRE, qui utilise des détecteurs dans les deux hémisphères, nous pouvons exclure tout effet saisonnier possible qui pourrait donner l'apparence d'une modulation annuelle. Nous pensons que la mine d'or Stawell est l'endroit idéal pour faire cette expérience. Sa déclivité fait qu’il y a un chemin souterrain en pente qui fait une boucle sur lui-même. Il faut rouler pendant 30 minutes en voiture avant d'atteindre le site du Stawell Underground Physics Laboratory (SUPL).

Le laboratoire principal sera logé dans une excavation de 10 mètres de large sur 35 mètres de long, qui sera creusée dans la roche. Les murs seront renforcés avec des dizaines de longs boulons pénétrant profondément dans la roche, et ensuite les murs seront recouverts par une épaisse couche de béton pulvérisé pour obtenir une plus grande stabilité. L'excavation et le renforcement des murs seront effectués début 2017 et le laboratoire sera construits à la mi-2017. L'expérience Sodium-iodide with Active Background REjection (SABRE) commencera fin  2017.

Le laboratoire SUPL devrait abriter plusieurs autres expériences dans les prochaines années, allant de la physique nucléaire à l'étude des systèmes biologiques dans des environnements extrêmes et à faible rayonnement. Nous espérons que cette expérience va enfin fournir des preuves claires de l’existence de cette matière noire qui nous échappe jusqu’à présent.