Au moins un quart de l'univers est invisible.

Contrairement aux rayons X que l'œil nu ne peut pas voir mais que l'équipement peut mesurer, les scientifiques n'ont pas encore détecté de matière noire après trois décennies de recherche, même avec les instruments les plus sensibles au monde. Mais la matière noire est si fondamentale pour la physique que des scientifiques soutenus par le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie la recherchent dans certains des endroits les plus isolés du monde, du sous-sol profond à l'espace extra-atmosphérique.

"Sans matière noire, il est possible que nous n'existions pas, " dit Michel Salamon, un directeur du programme de physique des hautes énergies (HEP) du DOE Office of Science.

L'Office of Science soutient un programme complet de recherche de matière noire et d'autres phénomènes qui aident les scientifiques à mieux comprendre le fonctionnement de l'univers à son niveau le plus fondamental.

Traces de l'influence de la matière noire

Ce que nous savons de la matière noire vient de la manière dont elle a influencé l'univers depuis presque aussi loin que le Big Bang. Comme des empreintes de pattes laissées par un animal insaisissable, le cosmos est plein de signes de l'existence de la matière noire, mais nous n'avons pas réellement vu la créature elle-même.

L'astronome Fritz Zwicky a découvert la matière noire en 1933 alors qu'il examinait l'amas de galaxies de Coma. Il a remarqué qu'ils émettaient beaucoup moins de lumière qu'ils n'auraient dû l'être, vu leur masse. Après avoir effectué quelques calculs, il s'est rendu compte que la majorité de la masse de l'amas n'émettait pas du tout de lumière ou de rayonnement électromagnétique.

Mais il n'y avait pas que ce cluster. Aujourd'hui, nous savons que la matière visible ne représente que cinq pour cent de la masse-énergie totale de l'univers. (Comme la célèbre équation d'Einstein, E=mc2, nous dit, les concepts de matière et d'énergie sont intrinsèquement liés.) La matière noire représente environ un quart de la masse-énergie totale, tandis que l'énergie noire comprend le reste.

Depuis la découverte initiale de Zwicky, les scientifiques ont trouvé un certain nombre d'autres signes révélateurs. En examinant la rotation des galaxies dans les années 1970, L'astronome Vera Rubin s'est rendu compte qu'ils ne se déplacent pas comme ils « devraient » si seule la matière visible existe. Sa découverte du problème de rotation des galaxies fournit l'une des preuves les plus solides de l'existence de la matière noire. De la même manière, rayonnement de fond cosmique, qui a un enregistrement de l'univers primitif imprimé dessus, reflète la présence de la matière noire.

Les scientifiques pensent que la matière noire est très probablement composée d'une particule élémentaire entièrement nouvelle qui ne relèverait pas du modèle standard dans lequel toutes les particules actuellement connues s'insèrent. Il n'interagirait que faiblement avec d'autres particules connues, le rendant très difficile à détecter. Les théoriciens ont postulé deux particules principales pour décrire les caractéristiques de la matière noire :les WIMPs et les axions.

Les particules massives à interaction faible (WIMP) seraient électriquement neutres et 100 à 1, 000 fois plus massive qu'un proton. Les axions n'auraient aucune charge électrique et seraient extraordinairement légers – peut-être aussi bas qu'un billionième de la masse d'un électron.

À la chasse à la matière noire

Non seulement la matière noire n'émet pas de lumière ou de rayonnement électromagnétique, il n'interagit même pas avec eux. En réalité, le seul moyen par lequel les scientifiques sont convaincus que la matière noire interagit avec la matière ordinaire est la gravité. C'est pourquoi des millions de particules de matière noire traversent la matière normale sans que personne ne s'en aperçoive. Pour capturer même le plus petit aperçu, les scientifiques utilisent certains des équipements les plus sophistiqués au monde.

La grande expérience souterraine au xénon et la détection directe

L'expérience Large Underground Xenon (LUX), qui a duré près de deux ans et s'est terminée en mai 2016, était l'un des efforts les plus importants pour détecter directement la matière noire.

La détection directe d'une particule de matière noire nécessite qu'elle heurte un noyau (le noyau d'un atome) de matière ordinaire. Si cela se produit, le noyau dégagerait juste un peu d'énergie détectable. Cependant, la probabilité que ces particules entrent en collision est incroyablement faible.

En outre, La surface de la Terre a une quantité extraordinaire de "bruit" radioactif. Essayer de détecter les interactions avec la matière noire au-dessus du sol, c'est comme essayer d'entendre quelqu'un chuchoter à travers la pièce d'une école maternelle bruyante.

Pour augmenter les chances de détecter une particule de matière noire et seulement une particule de matière noire, LUX était énorme et situé à plus d'un kilomètre sous terre. Avec un tiers de tonne de xénon liquide refroidi entouré de 72, 000 gallons d'eau et de puissants capteurs, LUX avait la meilleure sensibilité au monde pour les WIMPs. Il aurait pu détecter une particule dont la masse varie de quelques fois à 1800 fois la masse d'un proton. Malgré tout cela, LUX n'a ​​jamais capturé suffisamment d'événements pour fournir des preuves solides de la présence de matière noire.

LUX était ce que HEP appelle une expérience de détection directe de « génération 1 ». D'autres expériences de détection directe de « génération 1 » actuellement en cours et soutenues par l'Office of Science adoptent une approche légèrement différente. Le PICO 60, Côté Obscur-50, et les expériences SuperCDMS-Soudan, par exemple, rechercher des WIMPs, tandis que le détecteur ADMX-2 recherchait l'autre candidat potentiel à la matière noire, l'axion.

Il existe également des expériences de détection directe de « génération 2 » actuellement en cours de conception, fabrication, ou mise en service, dont le LUX-Zeplin (LZ), Super CDMS-SNOLAB, et ADMX-Gen2.

Le spectromètre magnétique Alpha et la détection indirecte

En outre, il existe des expériences axées sur la détection indirecte.

Certains théoriciens proposent que les particules de matière noire en collision pourraient s'annihiler et produire deux ou plusieurs particules "normales". En théorie, les WIMPs en collision pourraient produire des positrons. (Un positron est la contrepartie d'antimatière chargée positivement de l'électron.) Le spectromètre magnétique alpha de la Station spatiale internationale capte les rayons cosmiques, morceaux d'atomes accélérés à de hautes énergies par l'explosion d'étoiles. Si l'AMS détecte un nombre élevé de positrons dans un spectre de haute énergie où ils ne seraient pas normalement, cela pourrait être un signe de matière noire.

"AMS est un bel instrument, " a déclaré Salamon. " Tout le monde reconnaît qu'il s'agit de l'expérience de rayons cosmiques la plus précise au monde dans l'espace. "

Jusque là, l'AMS a enregistré 25 milliards d'événements. Il a trouvé un excès de positrons dans la plage appropriée, mais il n'y a pas assez de preuves pour affirmer avec certitude d'où proviennent les positrons. Il existe d'autres sources possibles, comme les pulsars.

En plus de l'AMS, Le DOE soutient également le télescope spatial Fermi à rayons gamma, qui analyse les rayons gamma lorsqu'il fait le tour du globe et peut offrir une autre voie à la détection de la matière noire.

Production de matière noire au Grand collisionneur de hadrons

En théorie, un accélérateur de particules pourrait créer de la matière noire en entrant en collision avec des particules standard à haute énergie. Alors que l'accélérateur ne serait pas capable de détecter la matière noire elle-même, il pourrait rechercher l'énergie "manquante" produite par une telle interaction. Les scientifiques du Grand collisionneur de hadrons, le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde, adoptent cette approche.

Leçons apprises et avenir de la recherche

Jusque là, pas une seule expérience n'a donné de trace définitive de matière noire.

Mais ces expériences n'ont pas échoué - en fait, beaucoup ont eu beaucoup de succès. Au lieu, ils ont restreint notre champ de recherche. Chercher la matière noire, c'est comme chercher un objet perdu dans votre maison. Pendant que vous chassez dans chaque pièce, vous éliminez systématiquement les endroits où l'objet pourrait être.

Au lieu de chambres, les scientifiques recherchent la matière noire à travers une gamme de forces et de masses d'interaction. « Alors que les expériences deviennent plus sensibles, nous commençons à éliminer les modèles théoriques, " dit Salamon.

La recherche de la matière noire est loin d'être terminée. Avec chaque bit de données, nous nous rapprochons de la compréhension de cet aspect omniprésent mais insaisissable de l'univers.