Matière noire : la mystérieuse substance physique qui constitue la majorité de notre univers ne peut toujours pas être identifiée. Pourtant, les efforts sont considérables pour essayer de la cerner. En vain. Dan Hooper est un des meilleurs spécialistes de la question. Il est chercheur associé en astrophysique théorique au Fermi National Accelerator Laboratory et professeur agrégé d’astronomie et d’astrophysique de l’Université de Chicago. Il nous confie, dans cet article, son blues de chercheur…
Les dernières décennies ont inauguré une ère étonnante dans la science de la cosmologie. Un éventail varié de mesures de haute précision nous a permis de reconstituer l’histoire de notre univers dans les moindres détails. Et lorsque nous comparons différentes mesures – du taux d’expansion de l’univers, des modèles de lumière libérée par la formation des premiers atomes, de la distribution dans l’espace des galaxies et des amas de galaxies et de l’abondance de diverses espèces chimiques – nous découvrons qu’elles racontent toutes la même histoire, et qu’elles décrivent toutes la même série d’événements.
Franchement, cette ligne de recherche a été plus fructueuse que nous ne l’aurions souhaité, à mon avis. Nous en savons plus sur l’origine et l’histoire de notre univers aujourd’hui que ce qu’il y a quelques décennies, on aurait imaginé apprendre en si peu de temps.
Mais en dépit de ces succès considérables, il reste encore beaucoup à apprendre. Et à certains égards, les découvertes des dernières décennies ont soulevé autant de questions nouvelles qu’elles n’en ont répondu. L’un des mystères les plus vexants se trouve au cœur de ce qui fait notre univers. Les observations cosmologiques ont déterminé avec une très grande précision la densité moyenne de la matière dans notre univers. Mais cette densité s’avère beaucoup plus grande que celle des atomes ordinaires.
Après des décennies de mesures et de débats, nous sommes maintenant convaincus que l’écrasante majorité de la matière de notre univers –- environ 84 pour cent – n’est pas composée d’atomes ou de toute autre substance connue. Bien que nous soyons en mesure de repérer son attraction gravitationnelle, ce qui nous permet de dire clairement qu’il est là, nous ne savons tout simplement pas ce que c’est. Ce truc mystérieux est invisible, ou du moins presque. Faute d’un meilleur nom, nous l’appelons « matière noire », mais nommer quelque chose est très différent que le comprendre.
Les astronomes cartographient indirectement la matière noire, par son attraction gravitationnelle sur d’autres objets. NASA, ESA et D. Coe (NASA JPL/Caltech et STScI)
Depuis presque aussi longtemps que nous savons que la matière noire existe, les physiciens et les astronomes ont imaginé des moyens d’apprendre de quoi elle est faite. Ils ont construit des détecteurs ultra-sensibles, déployés dans des mines souterraines profondes, afin de mesurer les impacts légers des particules individuelles de matière noire qui entrent en collision avec des atomes.
Ils ont construit des télescopes exotiques – sensibles non pas à la lumière optique mais aux rayons gamma, aux rayons cosmiques et aux neutrinos, moins familiers – pour rechercher le rayonnement à haute énergie qui serait généré par les interactions des particules de matière noire.
Et nous avons cherché des signes de matière noire à l’aide de machines incroyables qui accélèrent les faisceaux de particules – typiquement des protons ou des électrons – jusqu’aux vitesses les plus élevées possibles, puis les écrasent les uns contre les autres pour tenter de convertir leur énergie en matière. L’idée est que ces collisions pourraient créer des substances nouvelles et exotiques, et peut-être inclure les types de particules qui composent la matière noire de notre univers.
Il y a dix ans à peine, la plupart des cosmologistes – y compris moi-même – étaient raisonnablement confiants que nous allions bientôt commencer à résoudre le casse-tête de la matière noire. Après tout, un ambitieux programme expérimental se profilait à l’horizon, qui devait nous permettre d’identifier la nature de cette substance et de commencer à en mesurer les propriétés. Ce programme comprenait l’accélérateur de particules le plus puissant au monde – The Large Hadron Coolider, le Grand collisionneur de hadrons – ainsi qu’une panoplie d’autres nouvelles expériences et télescopes puissants.
Les expériences du CERN tentent de se concentrer sur la matière noire – mais jusqu’ à présent, rien n’a été trouvé. CERN
Mais les choses ne se sont pas déroulées comme nous nous y attendions. Bien que ces expériences et ces observations aient été effectuées aussi bien ou mieux que nous aurions pu l’espérer, les découvertes ne sont pas venues.
Au cours des quinze dernières années, par exemple, les expériences conçues pour détecter des particules individuelles de matière noire sont devenues un million de fois plus sensibles, et pourtant aucun signe de ces particules insaisissables n’est apparu. Et bien que le Grand collisionneur de hadrons ait, à l’exception du boson de Higgs, fait preuve d’une excellente performance technique, aucune nouvelle particule ou autre phénomène n’a été découvert.
L’opiniâtreté de la matière noire a laissé de nombreux scientifiques à la fois surpris et confus. Nous avions ce qui semblait être de très bonnes raisons de nous attendre à ce que des particules de matière noire soient découvertes maintenant. Et pourtant la chasse continue, et le mystère s’approfondit.
À bien des égards, nous n’avons plus de questions en suspens aujourd’hui qu’il y a dix ou deux ans. Et parfois, il peut sembler que plus nous mesurons notre univers avec précision, moins nous le comprenons. Tout au long de la seconde moitié du XXe siècle, les physiciens théoriciens des particules ont souvent réussi à prédire les types de particules qui seraient découvertes au fur et à mesure que les accélérateurs deviendraient de plus en plus puissants. C’était vraiment impressionnant.
Mais notre prescience semble avoir pris fin – les particules longtemps prévues associées à nos théories favorites et les plus motivées ont refusé obstinément d’apparaître. Peut-être que les découvertes de ces particules sont à nos portes et que notre confiance sera bientôt rétablie. Mais à l’heure actuelle, il semble y avoir peu de soutien en faveur d’un tel optimisme.
En réponse, les physiciens reviennent en masse sur leurs tableaux, revoyant et révisant leurs hypothèses. Avec des egos meurtris et un peu plus d’humilité, nous essayons désespérément de trouver une nouvelle façon de donner un sens à notre monde.
Dan Hooper, Chercheur associé en astrophysique théorique au Fermi National Accelerator Laboratory et professeur agrégé d’astronomie et d’astrophysique, Université de Chicago
Cet article a été publié la première fois dans TheConversation-USA, partenaire éditorial de UP’ Magazine
