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    Pourquoi il faut trouver la matière noire  
    David Fossé - Ciel & Espace, no 504 - 2012-05-01      
    Annonces de découvertes, confirmations, démentis : la course à la matière noire s'est nettement accélérée ces derniers mois.
Pour les astrophysiciens, il faut la trouver vite !
Car l'enjeu est de taille : conforter le meilleur édifice théorique censé expliquer l'existence d'une mystérieuse masse cachée, omniprésente dans l'univers.
 
    Si d'ici cinq ans nous ne trouvons rien, moi, j'arrête ! L'astrophysicien Pierre Salati résume en quelques mots l'état d'esprit de beaucoup de ses confrères, Depuis huit décennies les indices s'accumulent en faveur de l'existence d'une masse cachée dans l'Univers, Depuis trente ans, les astronomes peaufinent le portrait-robot de cette "matière noire : qui leur est désormais indispensable. Mais voilà : leurs moyens de la trouver ne sont devenus assez sensibles que depuis peu! Dans l'espace, sous terre, en Antarctique ou encore à bord de la station internationale, la traque de la matière noire s'est vraiment accélérée depuis seulement un an. "Nous recherchons des particules nommées wimps"; précise Éric Aubourg (laboratoire Astroparticules et cosmologie, Paris). Autrement dit, des particules dont la masse est capable d'attirer la matière par sa force de gravité, mais qui n'entrent pratiquement jamais en collision entre elles ni avec la matière ordinaire (celle dont nous sommes faits, ainsi que les étoiles, les planètes, etc.).  
   

Évanescente, obscure, insaisissable, la matière noire est beaucoup plus étrange que les nuages sombres qui flottent dans la Galaxie. Selon les physiciens, elle est constituée de particules d'un genre nouveau, qui restent à découvrir.

 
    Après avoir échoué à trouver la matière noire sous forme d'étoiles obscures et autres trous noirs, les astrophysiciens se sont donc tournés vers l'infiniment petit. La majorité d'entre eux est maintenant convaincue que nous baignons dans un fluide de wimps. L'une de ces particules est leur candidate préférée : le neutralino, la plus légère des particules prédites par la supersymétrie, elle-même issue de notre modèle le plus solide pour décrire le monde des particules.  
   

 

 
80%   C'est la proportion de matière noire dans l'Univers. Invisible à nos télescopes, cette "matière noire" ne trahit sa présence que par des effets gravitationnels dus à sa masse. Quelle est sa nature ? Mystère.  
Wimp   Cette particule hypothétique est notre meilleure candidate pour la matière noire. Massive, elle peut attirer la matière par sa gravité, mais interagit faiblement avec elle. Wimp ("mauviette" en anglais) est l'acronyme de weakly interacting massive particule.  
Supersymétrie   Propriété qui découle du modèle actuel de la physique des particules. À chaque particule de matière ondin. ire serait associée une particule hypothétique, dite supersymétrique. Le neutralino, un wimp, est l'une d'entre elles.  
   

 

 
   

Invisible mais indispensable

 
    Les scientifiques sont persuadés que, sans matière noire, l'Univers ne serait pas tel qu'il est. "La matière noire compte pour 80% du total de la matière dans l'Univers. C'est grâce à son abondance et à sa force d'attraction que la matière ordinaire a pu se rassembler et former les galaxies", explique Johann Cohen-Tanugi, du laboratoire Univers et particules de Montpellier. C'est aussi elle qui permet d'expliquer pourquoi les étoiles des galaxies spirales tournent plus vite qu'elles ne devraient, pourquoi les galaxies dans les amas sont si véloces, ou encore pourquoi ces amas sont des loupes si efficaces pour observer l'Univers lointain. Autant dire que, s'ils ne la trouvent pas, les astrophysiciens seront sévèrement sonnés…  
    Maintenant que les diverses méthodes de détection arrivent à maturité, le sprint est lancé. "Depuis le printemps 2011, la recherche de la matière noire s'est intensifiée", raconte Éric Aubourg. Jusqu'alors, seule l'équipe de l'expérience Dama affirmait détecter un signal dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso (Italie). Personne n'y croyait vraiment. "Puis les membres de l'expérience Cogent ont fait une annonce similaire, et les choses se sont emballées." Le principe de ces expériences est simple. Si la Voie lactée baigne dans un halo de matière noire, alors le Système solaire doit être balayé par un vent de particules supersymétriques dans son trajet au sein de la Galaxie. Et comme la Terre tourne autour du Soleil, la "force" de ce vent doit varier avec une période d'un an. Précisément, l'expérience Dama enregistre depuis 1998 une variation annuelle de son signal. À la fin de chaque printemps, le taux de collisions de particules sur ses cristaux est 7% plus élevé que six mois plus tôt. Il y a un an, Cogent a enregistré à peu près le même effet dans sa mine de Soudan (Minnesota). Et depuis, une troisième expérience a détecté elle aussi des collisions suspectes. La matière noire serait-elle enfin tombée dans les filets des physiciens ?  
   

L'essentiel de la masse contenue dans l'univers est invisible. Cette galaxie, comme les autres, est enveloppée dans un vaste halo massif de matière noire.

 
    Certains d'entre eux le souhaitent si fort qu'ils s'en sont persuadés. Au laboratoire Fermilab (Illinois), Dan Hooper la voit même déjà au coeur de notre galaxie. Avec son collègue Tim Linden, il a publié en septembre 2011 une analyse des observations du satellite Fermi. L'engin de la Nasa est un excellent chasseur de matière noire car, lorsque deux wimps entrent en collision - un événement rare -, ces particules sont censées émettre des rayons gamma, auxquels est sensible le satellite. Et justement, il y aurait un rayonnement gamma diffus, d'origine inconnue, en direction du centre galactique !  
   

Portrait-robot de la matière noire

 
    Elle est invisible car elle n'émet ni n'absorbe de lumière, Excepté dans un cas : lorsqu'elle s'annihile et se transforme en rayons gamma (les puristes préfèrent ainsi parler de matière "sombre").  
    Elle possède une masse. Elle est donc capable d'influencer la matière ordinaire par sa force gravitationnelle, Une "masse cachée" dans l'Univers trahit l'existence de la matière noire.  
    Elle est capable de traverser la matière ordinaire. C'est un fluide qui nous baigne, mais que nous ne ressentons pas. Les chances pour qu'une particule de matière noire frappe un atome sont infimes.  
    Elle est capable de se traverser elle-même. Les chances pour qu'une particule de matière noire frappe une autre particule de matière noire sont aussi infimes.  
    Elle se déplace lentement. Bien moins vite, en tout cas, que la lumière. Sinon, par sa gravité, elle aurait gommé les petits grumeaux de l'Univers primordial d'où sont nées les galaxies.  
    Les particules répondant à ces critères sont des wimps. Le favori parmi eux est le neutralino.  
   

 

 
   

Bizarreries dans la Voie lactée

 
    Si l'on accepte qu'il soit dû à l'annihilation de wimps, alors on explique d'un coup deux autres bizarreries du cœur de la Voie lactée, souligne Dan Hooper : l'origine des filaments radio qui le traversent, un vieux mystère, et celle du "brouillard" micro-onde découvert par le satellite WMAP en 2005. L'un comme l'autre seraient liés aux électrons produits eux aussi lors des annihilations. L'idée qu'il existe une accumulation de matière noire au centre de la Voie lactée n'est pas choquante. Les simulations de formation de galaxies montrent même que c'est indispensable. Et pourtant, la majorité des astrophysiciens ne partage pas du tout l'enthousiasme de Hooper…  
    La direction du centre galactique est peuplée de restes de supernovae, de pulsars et d'étoiles binaires compactes qui sont extrêmement lumineux en rayons gamma, prévient Johann Cohen-Tanugi. Il suffit de mal prendre en compte ces sources pour se retrouver avec une émission diffuse inexpliquée. D'autres observations de Fermi en direction d'une dizaine de galaxies naines contredisent d'ailleurs le chercheur américain. "Ces galaxies sont doublement intéressantes: elles sont composées à 99,9% de matière noire et elles ne possèdent pas de sources gamma qui pourraient polluer nos observations", explique le Français. Fermi a passé deux ans à les étudier… mais n'a rien vu ! Et puis surtout, les conclusions encourageantes de Dama et de Cogent ont été contestées par deux autres expériences au moins aussi sensibles, Edelweiss 2 et Xenon 100, fragilisant nettement les indices en faveur des wimps.  
   

Lors de la collision de deux amas de galaxies, leur gaz (en rose) s'entrechoque, mais leur matière noire (en bleu) se traverse sans se voir.

 
    Les cosmologistes et les astrophysiciens peuvent-ils pourtant faire l'économie de ces particules fugitives ? La plupart pensent que non. Depuis la composition chimique de l'Univers jusqu'au mouvement des étoiles dans les galaxies, il y a trop d'observations en faveur de l'existence de la matière noire. Peut-être aussi ont-ils déjà trop investi dans sa recherche pour la jeter aux orties… Une chose semble certaine en tout cas : si la matière noire est constituée de neutralinos - l'espoir numéro un de la physique ! - "nous le saurons d'ici cinq ans grâce au LHC", souligne Pierre Salati. En 2017, le puissant accélérateur du Cern aura accumulé deux ans de données à pleine puissance. Il aura réalisé assez de collisions à l'énergie phénoménale de 13 TeV pour valider la supersymétrie et créer, s'ils existent, ces fameux wimps après lesquels tout le monde court. Par ailleurs, dans cinq ans, les expériences souterraines seront devenues beaucoup plus sensibles, et Fermi aura accumulé encore plus de mesures.  
    Mais si rien n'est vu nulle part ? Il y aura à coup sûr une grande vague de découragement… "Chercher sans jamais rien trouver, évidemment ce n'est pas très motivant", confie Johann Cohen-Tanugi. Et comme il n'y aura pas grand monde pour défendre la construction d'une expérience dix fois plus sensible ou dix fois plus puissante - en tout cas, dix fois plus chère -, les astrophysiciens n'auront d'autre choix que de se tourner vers d'autres types de matière noire plus exotiques encore… ou de rejoindre les rangs de ceux qui affirment qu'elle n'existe pas. Pour Gianfranco Bertone, de l'Institut de physique théorique de l'université d'Amsterdam, ce serait un crève-coeur : "Les wimps sont une façon élégante de résoudre plusieurs problèmes que nous rencontrons en astronomie. Ce serait vraiment dommage qu'une si belle idée ne soit pas validée par la nature."  
   

Chronologie

 
1933   Fritz Zwicky constate que l'amas galactique de Coma est des centaines de fois plus massif que son éclat ne le laisse paraitre. Il suggère la présence de matière invisible.  
1970   Vera Rubin note que les étoiles de la périphérie de la galaxie d'Andromède se comportent comme si elles baignaient dans un halo massif invisible.  
1973   Ramanath Cowsik et John McClelland, les premiers, suggèrent que des particules invisibles constituent l'essentiel de la masse de l'Univers.  
1993   Après avoir fouillé le ciel pendant un an, les astronomes de l'expérience Macho annoncent que la matière noire n'est pas constituée de corps célestes sombres.  
1998   L'expérience Dama enregistre des collisions, extrêmement rares mais modulées sur un an, comme si la Terre tournait dans un bain de particules furtives… Une première !  
2011   Après Dama, les expériences Cogent et Cresst II enregistrent à leur tour un signal. Mais plusieurs autres expériences au moins aussi sensibles font chou blanc.  
   

 

 
       
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