Des physiciens trouvent des signes d'existence de matière noire «très lourde»

«Pour l'instant, une seule chose est sûre: cette maudite particule continue de se cacher de nous. D'un côté, nous n'avons pas trouvé de traces de son existence dans l'intervalle de masse jusqu'à 200 GeV. De l'autre, nos modèles n'excluent pas l'existence de «WIMPs» (particules massives interagissant faiblement) plus lourdes. Nous avons même des signes de cela dans les données, même si leur signification statistique est faible — seulement 1 sigma. Je voudrais croire que ce n'est pas un hasard», a déclaré Elena Aprile, porte-parole du projet collaboratif Xenon1T.

Le monde derrière un rideau noir

Pendant assez longtemps, les chercheurs ont pensé que l'univers se composait de la matière que nous voyions et qui constituait la base de toutes les étoiles, des trous noirs, des nébuleuses, des amas de poussière et des planètes. Mais les premières observations de la vitesse de déplacement des étoiles dans les galaxies voisines ont révélé que les astres à leur périphérie se déplaçaient à une vitesse impossible selon les modèles théoriques existants, 10 fois supérieure aux calculs sur la base des masses de tous les astres contenus dans la galaxie observée.

Selon les scientifiques, cela était dû à ce qu'on appelle la matière noire — une mystérieuse substance qui représente environ 75% de la masse totale de matière dans l'univers. En règle générale, dans chaque galaxie, il y a environ 8-10 fois plus de matière noire que de matière visible. Cette matière noire tient les étoiles en place et ne leur permet pas de «s'éparpiller».

A présent, pratiquement tous les chercheurs sont persuadés de l'existence de la matière noire mais ses propriétés, hormis son influence gravitationnelle évidente sur les galaxies et les amas de galaxies, restent un mystère et un objet de débats parmi les astrophysiciens et les cosmologues. Pendant une longue période, les experts pensaient qu'elle se composait de particules WIMP très lourdes et froides qui ne se manifestaient d'aucune manière hormis par l'attraction d'amas visibles de matière.

Aujourd'hui, les scientifiques tentent de trouver de telles particules en utilisant des détecteurs souterrains géants remplis de xénon pur. Les noyaux des atomes de gaz noble, comme le supposaient auparavant les chercheurs, devaient interagir avec les WIMPs d'une manière particulière, ce qui pouvait être détecté en observant les flashs de lumière à l'intérieur du xénon liquéfié.

Au cours des deux dernières décennies, les chercheurs ont créé une douzaine de tels détecteurs doté d'une masse de plus en plus grande, mais aucun n'avait encore réussi à enregistrer des traces d'interaction du xénon avec les WIMPs. Certains espoirs reposaient sur le projet Xenon1T — le détecteur construit dans le laboratoire italien du Gran Sasso en 2014 contenait la quantité record de 3,5 tonnes de xénon, soit 10 fois plus que tous ses autres concurrents.

La clef de l'univers

Les premiers résultats du projet Xenon1T, reçus en novembre 2017, étaient à nouveau «nuls»: l'équipe de plus de cent physiciens de 21 pays n'avait pas réussi à trouver des traces significatives d'existence des WIMPs dans un très large diapason de masses et d'énergies.

Aujourd'hui, Elena Aprile et ses collègues ont présenté les résultats de l'analyse de l'ensemble des données, qui ont confirmé les conclusions préliminaires à quelques exceptions près. Les spécialistes soulignent avoir réussi à exclure la possibilité d'existence de WIMPs légers de masse comprise entre 6 et 30 GeV, et ont pratiquement éliminé les chances de détecter des particules de masse inférieure à 200 GeV.

D'un autre côté, les informations recueillies ne contredisent pas ce constat et, selon Elena Aprile, indiquent qu'en réalité les particules de matière noire ont une masse bien plus élevée que ne le supposaient les chercheurs.

«A présent notre tâche est très simple: nous devons simplement poursuivre les observations tout en réduisant le niveau de bruit et en augmentant la sensibilité. Il me semble que soit nous pourrons trouver des WIMPs après la prochaine mise à jour des détecteurs, soit nous clorons définitivement la question de leur existence», a ajouté la physicienne.

Et de conclure que les participants du Xenon1T assemblent déjà la nouvelle version du détecteur où la masse de xénon sera portée jusqu'à 4 tonnes et le niveau d'interférences sera divisé au moins par 10. Sa mise au point sera terminée cette année et il recueillera les premières données scientifiques en été 2019.