La chasse à la matière noire capte un signal inexpliqué

Atlantico.fr : Ce 17 juin, une prépublication concernant l'expérience XENON1T, menée en Italie depuis quelques années, agite le monde de la physique. Les appareils utilisés par les physiciens auraient détecté des traces de la fameuse matière noire et pourraient permettre de mieux comprendre son fonctionnement.

Que cherche-t-on à propos de la matière noire avec des expériences comme celle Xenon1T ?

Olivier Sanguy : L’expérience Xenon1T fait partie de celles menées pour tenter d’identifier la nature de la matière noire. La matière noire a été ainsi dénommée car il s’agit d’une matière dont on constate les effets gravitationnels, mais qu’on ne «voit» pas, en fait qu’on ne détecte pas même en balayant le spectre électromagnétique. En gros, lorsqu’on détermine la masse d’une galaxie en appliquant le modèle de la physique actuelle (on calcule la masse d’une galaxie par sa rotation), on obtient une masse bien supérieure à celle déduite par l’observation dans les différentes longueurs d’onde. La matière noire s’avère donc bien plus importante que la matière «classique», celle qu’on voit. N’oublions pas que la matière noire est différente de l’énergie noire, cette force qui accélère l’expansion de l’Univers et dont on ne connaît pas la nature. Le bilan en densité d’énergie du Cosmos donne 4,9 % pour la matière ordinaire, 26,8 % pour la matière noire et 68,3 % pour l’énergie sombre. On constate alors que la très grande majorité de l’Univers nous échappe. Si on parvenait à saisir ce qu’est cette matière noire, on comprendrait quelque chose qui régit 26,8 % du bilan énergétique et ce serait une avancée considérable.

Qu'a-t-on pu découvrir avec cette expérience ?

Pour le moment, je ne suis pas certain qu’on puisse dire qu’on a découvert quelque chose. D’ailleurs, les scientifiques de l’expérience Xenon1T sont eux-mêmes très prudents dans leur annonce. Leur publication scientifique parle même dans son titre «d’événements en excès» et non de la découverte de la nature de la matière noire. Qu’est-ce que cela veut dire ? Le Xenon1T a été conçu pour détecter des particules hypothétiques de type WIMP (Weakly Interacting Massive Particle - particule massive faiblement interactive) qui pourraient être cette matière noire qu’on cherche. Ce détecteur consiste en un récipient blindé rempli de 3,2 tonnes de xénon très pur sous forme liquide et placé en souterrain au laboratoire national du Gran Sasso en Italie. La montagne fournit un «blindage» naturel supplémentaire contre les rayonnements cosmiques et autres interactions. On sait que le xénon du réservoir va émettre des grains de lumière et des électrons du fait de particules qui vont le traverser comme celles des rayonnements cosmiques. Le nombre de ces événements a été déterminé selon les lois de la physique, or il a été constaté, sur un an, un excès à savoir 285 événements au lieu de 232, soit 53 en «trop». Il y a donc plus de particules que prévu qui ont fait réagir le détecteur. On peut envisager que la stratégie d’isolation qui combine la façon dont est fabriqué le réservoir avec la protection apportée par la montagne ait au final induit un bruit de fond supérieur à ce qu’on pensait. Ce n’est pas l’interprétation retenue par les scientifiques (et ils ont bien sûr des arguments sérieux en la matière). L’excès d’événements peut alors s’expliquer par des neutrinos (des milliards nous traversent chaque seconde) qui s’éloignent du modèle standard de la physique. Mais on peut aussi y voir la détection d’axions, une particule hypothétique qui serait un constituant de la matière noire.

Quelles sont les conséquences potentielles pour notre compréhension de la matière noire ?

Si le résultat de Xenon1T est confirmé (et c’est un grand si) et qu’il valide l’axion, alors on se dirige, pour expliquer la matière noire, vers les modèles basés sur des particules sans charge électrique et de très faible masse. Les axions se distinguent en effet par leur très faible interaction avec la matière, ce qui rejoint la nature élusive de la matière noire. Résoudre l’énigme de la matière noire serait à coup sûr une avancée extrêmement importante, car elle concernera autant l’infiniment grand que l’infiniment petit. Mais avant de passer d’un «excès d’événements» à cette découverte, il faudra encore procéder à beaucoup d’autres expériences.