Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont proposé une nouvelle méthode pour trouver la matière noire, le matériau mystérieux du cosmos qui a échappé à la détection pendant des décennies. La matière noire représente environ 27% de l'univers; matière ordinaire, comme ce qui construit les étoiles et les planètes, ne représente que 5% du cosmos. (Une entité mystérieuse appelée énergie noire représente les 68% restants.)

Selon les cosmologistes, toute la matière visible de l'univers flotte simplement dans une vaste mer de matière noire, des particules invisibles mais néanmoins massives et exerçant une force gravitationnelle. La gravité de la matière noire fournirait la colle manquante qui empêche les galaxies de s'effondrer et expliquerait comment la matière s'est agglutinée pour former la riche tapisserie galactique de l'univers.

L'expérience proposée, dans lequel des pendules d'un milliard de millimètres agiraient comme des capteurs de matière noire, serait le premier à chasser la matière noire uniquement par son interaction gravitationnelle avec la matière visible. L'expérience serait l'une des rares à rechercher des particules de matière noire d'une masse aussi importante que celle d'un grain de sel, une échelle rarement explorée et jamais étudiée par des capteurs capables d'enregistrer d'infimes forces gravitationnelles.

Des expériences antérieures ont recherché la matière noire en recherchant des signes non gravitationnels d'interactions entre les particules invisibles et certains types de matière ordinaire. Cela a été le cas pour les recherches d'un type hypothétique de matière noire appelé WIMP (particules massives à interaction faible), qui était un candidat de premier plan pour le matériel invisible pendant plus de deux décennies. Les physiciens ont cherché des preuves que lorsque les WIMPs entrent occasionnellement en collision avec des substances chimiques dans un détecteur, ils émettent de la lumière ou expulsent des charges électriques.

Les chercheurs à la recherche de WIMPs de cette manière sont soit arrivés les mains vides, soit ont obtenu des résultats non concluants; les particules sont trop légères (théorisées pour varier en masse entre celle d'un électron et d'un proton) pour être détectées par leur remorqueur gravitationnel.

Avec la recherche de WIMPs apparemment sur ses dernières jambes, les chercheurs du NIST et leurs collègues envisagent maintenant une méthode plus directe pour rechercher des particules de matière noire qui ont une masse plus élevée et qui exercent donc une force gravitationnelle suffisamment grande pour être détectée.

"Notre proposition repose uniquement sur le couplage gravitationnel, le seul couplage dont nous sommes sûrs qu'il existe entre la matière noire et la matière lumineuse ordinaire, " a déclaré le co-auteur de l'étude Daniel Carney, un physicien théoricien affilié au NIST, le Joint Quantum Institute (JQI) et le Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) de l'Université du Maryland à College Park, et le Laboratoire national de l'accélérateur Fermi.

Les chercheurs, qui incluent également Jacob Taylor du NIST, JQI et QuICS; Sohitri Ghosh de JQI et QuICS; et Gordan Krnjaic du Laboratoire national de l'accélérateur Fermi, calculent que leur méthode peut rechercher des particules de matière noire avec une masse minimale d'environ la moitié de celle d'un grain de sel, soit environ un milliard de milliards de fois la masse d'un proton. Les scientifiques rapportent leurs découvertes aujourd'hui dans Examen physique D .

Parce que la seule inconnue dans l'expérience est la masse de la particule de matière noire, pas comment il s'accouple à la matière ordinaire, "si quelqu'un construit l'expérience que nous suggérons, soit ils trouvent la matière noire, soit ils excluent tous les candidats à la matière noire sur un large éventail de masses possibles, " a déclaré Carney. L'expérience serait sensible à des particules allant d'environ 1/5, 000 d'un milligramme à quelques milligrammes.

Cette échelle de masse est particulièrement intéressante car elle couvre la masse dite de Planck, une quantité de masse déterminée uniquement par trois constantes fondamentales de la nature et équivalente à environ 1/5, 000 de gramme.

Carney, Taylor et leurs collègues proposent deux schémas pour leur expérience gravitationnelle sur la matière noire. Les deux impliquent de minuscules, dispositifs mécaniques de taille millimétrique agissant comme des détecteurs gravitationnels extrêmement sensibles. Les capteurs seraient refroidis à des températures juste au-dessus du zéro absolu pour minimiser le bruit électrique lié à la chaleur et protégés des rayons cosmiques et d'autres sources de radioactivité. Dans un scénario, une myriade de pendules hautement sensibles dévieraient chacun légèrement en réponse au tiraillement d'une particule de matière noire qui passe.

Des dispositifs similaires (avec des dimensions beaucoup plus grandes) ont déjà été utilisés dans la récente détection des ondes gravitationnelles, lauréate du prix Nobel, des ondulations dans le tissu de l'espace-temps prédit par la théorie de la gravité d'Einstein. Miroirs soigneusement suspendus, qui agissent comme des pendules, déplacer moins que la longueur d'un atome en réponse à une onde gravitationnelle qui passe.

Dans une autre stratégie, les chercheurs proposent d'utiliser des sphères en lévitation par un champ magnétique ou des billes en lévitation par la lumière laser. Dans ce schéma, la lévitation est désactivée au début de l'expérience, pour que les sphères ou billes soient en chute libre. La gravité d'une particule de matière noire qui passe perturberait très légèrement la trajectoire des objets en chute libre.

"Nous utilisons le mouvement des objets comme signal, " a déclaré Taylor. "Ceci est différent de pratiquement tous les détecteurs de physique des particules là-bas."

Les chercheurs calculent qu'un réseau d'environ un milliard de minuscules capteurs mécaniques répartis sur un mètre cube est nécessaire pour différencier une vraie particule de matière noire d'une particule ordinaire ou de signaux électriques aléatoires parasites ou de "bruit" déclenchant une fausse alarme dans les capteurs. Les particules subatomiques ordinaires telles que les neutrons (interagissant par une force non gravitationnelle) s'arrêteraient net dans un seul détecteur. En revanche, les scientifiques s'attendent à une particule de matière noire, filant devant le réseau comme un astéroïde miniature, secouerait gravitationnellement chaque détecteur sur son passage, l'un après l'autre.

Le bruit ferait bouger les détecteurs individuels de manière aléatoire et indépendante plutôt que séquentiellement, comme le ferait une particule de matière noire. En prime, le mouvement coordonné du milliard de détecteurs révélerait la direction dans laquelle se dirigeait la particule de matière noire lorsqu'elle zoomait sur le réseau.

Pour fabriquer autant de petits capteurs, l'équipe suggère que les chercheurs pourraient vouloir emprunter des techniques que les industries des smartphones et de l'automobile utilisent déjà pour produire un grand nombre de détecteurs mécaniques.

Grâce à la sensibilité des détecteurs individuels, les chercheurs qui utilisent la technologie n'ont pas besoin de se cantonner au côté obscur. Une version à plus petite échelle de la même expérience pourrait détecter les forces faibles des ondes sismiques lointaines ainsi que celles du passage de particules subatomiques ordinaires, tels que les neutrinos et simples, photons de basse énergie (particules de lumière).

L'expérience à plus petite échelle pourrait même rechercher des particules de matière noire - si elles donnent un coup de pied suffisamment important aux détecteurs par le biais d'une force non gravitationnelle, comme le prédisent certains modèles, dit Carney.

"Nous nous fixons l'objectif ambitieux de construire un détecteur gravitationnel de matière noire, mais la R&D nécessaire pour y parvenir ouvrirait la porte à de nombreuses autres mesures de détection et de métrologie, " dit Carney.

Des chercheurs d'autres institutions ont déjà commencé à mener des expériences préliminaires en utilisant le plan de l'équipe du NIST.