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Sciences

Détecter la matière noire: un éventail de méthodes

19-01-2018

Ne sachant pas à quoi ressemble leur proie, les physiciens ont imaginé un éventail de méthodes pour tenter d’apercevoir la matière noire. « Le grand rêve de tout physicien, c’est que les détecteurs souterrains et les détecteurs en orbite repèrent des particules identiques de matière noire, et qu’on réussisse en outre à les produire artificiellement dans l’accélérateur du CERN », explique Alain Bellerive, de l’université Carleton, impliqué dans l’expérience ATLAS au CERN et chercheur au SNOLAB.

Détection directe

C’est la méthode employée au SNOLAB, à 2 km sous terre (lire notre reportage ici). Pour concevoir des outils permettant une détection directe, on mise sur divers matériaux. D’abord, l’argon ou le xénon liquide, comme dans DEAP ou Xenon1T. « Ce sont des gaz nobles, faciles à purifier et qui sont de bons scintillateurs [NDLR : qui émettent des photons] », explique Pierre Gorel, physicien au SNOLAB. Le détecteur PICO, lui (ci-dessous), contient un liquide en surchauffe qui entre en ébullition s’il est percuté par une WIMP. Les bulles ainsi créées sont décelées par des caméras et des microphones qui enregistrent le bruit de la bulle dans le détecteur.

Autre technique : les détecteurs « solides », constitués généralement de germanium à très basse température (expériences CDMS et EDELWEISS notamment). Si un noyau de germanium est percuté, l’impact produira de la chaleur (une hausse d’un millionième de degré) et des électrons; un signal faible, mais mesurable.

Détection indirecte

Faute de réussir à « attraper » directement ces particules, certains physiciens tentent de déceler les indices de leur existence.  C’est ce qu’on appelle la détection indirecte. Arrimé à la Station spatiale internationale, le spectromètre magnétique alpha (AMS) scrute dans ce but les rayons cosmiques, cette pluie de particules venues de l’espace, qui voyagent à des vitesses voisines de celle de la lumière. En 2013, les scientifiques d’AMS annonçaient des résultats étonnants. « Dans les rayons cosmiques, ils ont trouvé des électrons, comme partout, mais aussi des positrons qui sont l’antimatière des électrons. C’est très rare, car l’antimatière semble avoir disparu de l’Univers, on ne sait trop pourquoi. Une des hypothèses, c’est que ces positrons pourraient être produits par des particules de matière noire qui s’annihilent entre elles, en produisant un électron et un positron », explique la physicienne Pauline Gagnon. Reste à éliminer toutes les autres sources possibles, et à confirmer qu’il y a bien un excès de positrons. « AMS pourrait avoir la réponse d’ici quatre ans », croit-elle.

Création artificielle

Dernière option pour voir la matière noire : la créer de toutes pièces. C’est ce qu’on tente de faire au CERN, dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC), le plus puissant accélérateur de particules au monde. En faisant s’entrechoquer à haute vitesse des faisceaux de protons, les physiciens espèrent générer un « feu d’artifice » de nouvelles particules. Incluant quelques miettes de matière sombre. « Le problème, c’est que, si on en produit, elles vont traverser nos détecteurs sans laisser de traces. Ce qu’on tente de déceler, c’est un déséquilibre dans nos détecteurs. Lors d’une collision de deux protons, des particules sont éjectées dans toutes les directions. Mais si certaines d’entre elles s’échappent sans laisser de traces, on va voir un déséquilibre dans la répartition d’énergie, précise Pauline Gagnon. Avec les données obtenues en 2016, rien ne nous a sauté aux yeux. Maintenant, c’est un travail de longue haleine : il faut passer en revue des milliards et des milliards d’événements pour déceler d’éventuelles petites anomalies. » Affaire à suivre.

Crédit NASA: Spectromètre magnétique alpha

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