La matière noire est la matière mystérieuse qui maintient l'Univers ensemble, pourtant personne ne l'a vu; ou entendu, sentait, goûté ou touché non plus.

Mais cela pourrait bientôt changer, et un laboratoire à 1000 mètres sous terre dans la mine d'or de Stawell à mi-chemin entre Melbourne et Adélaïde pourrait être l'épicentre de cette découverte.

Les physiciens ont récemment réussi à détecter l'apparemment indétectable. Il y a d'abord eu le boson de Higg, confirmé par des expériences au Large Hadron Collider en 2012, près de 50 ans après que son existence a été proposée pour la première fois. Puis en 2015, les détecteurs LIGO ont trouvé des ondes gravitationnelles, un siècle après qu'Einstein les ait prédits. Les deux découvertes ont été récompensées par des prix Nobel.

Si tout se passe comme prévu, dans les prochaines années, la matière noire passera du domaine de l'hypothétique à l'observable, ouvrir une nouvelle ère en physique expérimentale, et une étape majeure vers une théorie fondamentale de la nature.

Le professeur Elisabetta Barberio dirige l'effort australien pour détecter la matière noire, en tant que directeur du Center for Dark Matter Particle Physics. Le physicien de l'Université de Melbourne affirme que l'Australie est particulièrement bien placée pour confirmer l'existence de la matière noire.

Comment savons-nous ce que nous recherchons ?

Cela a commencé par quelques calculs simples basés sur la loi de la gravité de Newton.

"Si je regarde le système solaire, il y a le soleil et toutes les planètes, et si je connais la vitesse d'une planète et sa distance au soleil, Je peux calculer la masse du soleil, " dit le professeur Barberio.

"Nous pouvons faire la même chose avec notre galaxie. Nous pouvons prendre le mouvement d'une étoile, et, connaissant la distance de l'étoile au centre de la galaxie, nous pouvons calculer la quantité de matière qu'il y a dans la galaxie.

"Quand on fait ce calcul, la quantité de matériel que nous voyons et la quantité de matériel qui devrait être là par nos calculs ne correspondent pas. Nos calculs disent qu'il y a beaucoup plus de matière dans la galaxie que ce que nous pouvons voir. Et c'est de la matière noire."

Les physiciens pensent que la matière noire est constituée d'une particule fondamentale encore inconnue qui n'a pas de charge électrique, ne produit pas de lumière, et n'interagit pas beaucoup avec quoi que ce soit. Mais ils pensent aussi qu'il y aura l'interaction occasionnelle que l'on pourra peut-être détecter, étant donné le bon équipement et le bon emplacement.

"Nous savons qu'il y a beaucoup de matière noire dans la galaxie - entre 70 et 80 pour cent de la matière dans la galaxie est de la matière noire, " dit le professeur Barberio, "Et ainsi, chaque seconde, notre corps est traversé par des milliards de ces particules de matière noire qui ne nous font rien. Nous sommes transparents à ces particules."

"Toutefois, nous pensons que très, très rarement, une particule de matière noire interagit avec le noyau d'un atome dans un matériau que nous pouvons voir - ce que nous appelons la matière normale."

Le problème est que d'autres choses interagissent également avec les noyaux atomiques; notamment les rayons cosmiques et la radioactivité.

"La probabilité que la matière noire interagisse avec mon noyau est d'un événement pour 10 kg de matière par jour, " explique le professeur Barberio. " La probabilité que la radioactivité ou les rayons cosmiques interagissent avec mon noyau est de 10 milliards de fois par 10 kg de matière par jour. "

En d'autres termes, 1 sur 10 milliards de ces interactions est de la matière noire, rendant impossible de distinguer un signal du bruit.

Passer sous terre

Pour améliorer ces chances, nous devons réduire le nombre d'autres interactions qui se produisent. La première étape consiste à aller sous terre – très sous terre. Les rayons cosmiques sont absorbés par la roche, donc si vous allez assez profondément, vous pouvez les réduire à presque zéro.

"En allant sous terre, nous avons déjà éliminé quelques milliards d'interactions, " dit le professeur Barberio.

"Et puis nous devons également éliminer toute la radioactivité résiduelle dans le matériau à partir duquel nous construisons notre détecteur, car même si on prend une banane dans notre labo, il y aura tellement de radioactivité qu'il y aura quelques comptes, quelques échanges, par jour, avec mes noyaux, et il fera de l'ombre à la matière noire."

"Nous choisissons le bon matériau, ou construire un matériau à très faible radioactivité, et puis nous construisons notre détecteur sous terre et nous commençons à attendre, et comptez combien de fois il y a cette interaction."

Plusieurs détecteurs souterrains de matière noire existent, et on prétend même voir de la matière noire. Le Laboratoire du Gran Sasso, construit à l'intérieur d'une montagne en Italie, suit ce qu'ils disent être la modulation annuelle de la matière noire arrivant sur Terre.

Comme la Terre tourne autour du soleil, sa vitesse par rapport au centre de la galaxie change. En juin, la Terre fait le tour de la galaxie à environ 260 km par seconde, alors qu'en décembre, c'est plutôt 200 km par seconde. Par conséquent, nous nous attendons à ce que la Terre soit touchée par plus de matière noire en juin qu'en décembre. Et c'est ce que l'équipe du Gran Sasso observe dans leurs données.

"Si vous êtes à vélo et que vous allez plus ou moins vite, vous avez plus ou moins de vent, " dit le professeur Barberio.

Le détecteur de matière noire australien

Changements saisonniers, de l'été à l'hiver, pourrait également conduire à un cycle du taux d'interactions sur les détecteurs de matière noire. Et c'est là qu'intervient l'Australie.

Pour supprimer cette erreur potentielle, nous devons répéter les expériences dans l'hémisphère sud, où les saisons sont inversées. Si nous voyons un modèle saisonnier, avec un pic en été et un minimum en hiver, alors les données de l'Italie doivent être repensées. Si nous voyons le même schéma annuel, cependant, avec un pic en juin et un minimum en décembre, cela pourrait être la preuve qui confirme enfin l'existence de la matière noire.

La mine d'or Stawell dans l'ouest de Victoria est l'un des rares endroits en Australie à pouvoir abriter un détecteur de matière noire.

"Il faut trouver une mine très profonde ou une montagne très haute, " dit le professeur Barberio.

"Nous n'avons pas de très hautes montagnes, nous devions donc trouver une mine. Il y a très peu de mines en Australie qui ont la profondeur et l'accès nécessaires. Heureusement, nous avons un grand soutien de la part des propriétaires de mines et de la communauté locale de Stawell pour notre laboratoire. »

L'équipe du professeur Barberio espère que le laboratoire de physique souterrain de Stawell sera opérationnel cette année. Ce sera le premier détecteur de matière noire dans l'hémisphère sud, et, lorsqu'il est combiné avec les données d'autres détecteurs dans le monde, pourrait enfin confirmer l'existence de la matière noire.