L'amas de galaxies Abell 1689 contient environ un millier de galaxies et des milliards d'étoiles. En étudiant des images d'amas de galaxies, les scientifiques ont calculé que la matière noire représente environ 23 % de toute la matière et de l'énergie dans l'espace. Crédit :NASA/ESA/STScI/AURA/Dominion Astrophysical Observatory/JHU/J. Blakeslee et H. Ford
La plupart des personnes qui reçoivent un salaire peuvent être sûres que le sujet de leur travail existe réellement. Les physiciens qui étudient la matière noire diffèrent de la plupart des gens à cet égard. Indépendamment, de jeunes scientifiques talentueux continuent de consacrer leur carrière à ce sujet. Pourquoi?
Ce n'est pas que la matière noire attend d'être découverte. Loin de là, la matière noire en tant que phénomène est fermement établie, et nous avons de nombreuses preuves convaincantes pour suggérer qu'il est cinq fois plus abondant que son homologue brillant.
Plutôt, le problème est que l'écrasante masse de preuves de la matière noire repose entièrement sur les effets gravitationnels. S'il s'avère que la gravité agit beaucoup plus étrangement que Newton ne l'avait imaginé, les effets que nous attribuons à une particule de matière noire, pourrait être un mirage. Et nous pourrions être obligés de rejeter toute l'hypothèse de la matière noire au temple de la renommée pour des théories scientifiques obsolètes.
Pour enfin confirmer notre paradigme, les passionnés de matière noire comme moi ont besoin d'attraper ou de créer une particule de matière noire, donc on peut prouver, une fois pour toutes, que la matière noire est en fait constituée de matière.
Tout se passe dans le noir
Donc, à quoi ressemble la matière noire de toute façon ? Bien, cela dépend de votre préférence.
La diversité des candidats hypothétiques à la matière noire est vraiment ahurissante. Les candidats sérieux incluent des particules avec des rayons aussi grands que des galaxies, ainsi que des particules ultra minuscules dont le rayon est un quadrillion (15 zéros) fois plus petit que le proton.
Il n'a même pas besoin d'être constitué de particules du tout, la matière noire pourrait être de petites perforations dans le tissu de l'espace et du temps appelées trous noirs primordiaux.
Toute expérience visant à trouver de la matière noire doit donc d'abord choisir une hypothèse et procéder à sa preuve ou à son infirmation.
Cependant, la liste de contrôle des candidats est très longue, et de nombreuses idées ne peuvent pas être testées expérimentalement avec la technologie actuelle.
La ligne du temps cosmique. Les scientifiques ne comprennent toujours pas la nature de la matière noire, mais ils soupçonnent qu'il est principalement composé de particules exotiques, tels que WIMPS, qui s'est formé lorsque l'univers n'avait qu'une fraction de seconde. Crédit :NASA/CXC/M.Weiss
Le suspect habituel est un WIMP
La physique des particules a une longue et fière tradition de donner des noms idiots à des particules hypothétiques. Un exemple particulièrement idiot est la particule connue sous le nom de WIMP, lequel, malgré son nom, est l'un des candidats les plus puissants à la matière noire.
Le nom à consonance étrange est en fait un acronyme pour les propriétés de la particule :Weakly Interacting Massive Particle. Cela signifie que la particule est massive donc elle gravite vers d'autres particules ou objets, mais il n'interagit que faiblement avec notre monde visible.
Dans les toutes premières fractions de seconde après le Big Bang, notre Univers était autrefois incroyablement chaud et dense. C'est dans cette soupe primordiale que s'est produite la naissance supposée du WIMP. Armé de la connaissance de l'expansion et du refroidissement de notre Univers, nous pouvons calculer avec précision le nombre de WIMPs qui se sont formés dans ces conditions.
Remarquablement, ce calcul nous laisse avec un nombre de WIMPs qui correspond étroitement à la quantité observée de matière noire. En d'autres termes, nous postulons une particule avec les propriétés que nous nous attendons à trouver dans la matière noire, et sans hypothèses supplémentaires, notre connaissance de l'histoire de l'Univers signifie qu'elle se présente en bonne quantité. Bien, cela semble trop beau pour ne pas être vrai.
Les miracles ne se produisent pas, droit?
Cette incroyable coïncidence des nombres est ce que les partisans du WIMP appellent avec zèle « le miracle WIMP ». Miracle est peut-être un mot trop fort, mais le paradigme WIMP donne une explication très simple qui peut expliquer toute la matière noire à la fois, et passe ainsi le test du rasoir d'Occam :les théories avec le moins d'hypothèses sont les plus susceptibles d'être correctes.
Mais ce qui est encore mieux que sa simplicité, c'est qu'il est testable. Les interactions mêmes responsables de la création des WIMPs en premier lieu, nous permettent de construire des expériences pour les trouver - les soi-disant "détecteurs directs".
Malheureusement, les détecteurs construits pour trouver les WIMPs n'ont rien trouvé. Et jusqu'à présent, il semble que "le miracle WIMP" nous ait conduits à une chasse aux oies sauvages de plusieurs décennies.
Les physiciens espèrent toujours découvrir le WIMP, mais si ça finit par arriver, ce serait certainement différent de ce que nous avions imaginé.
À l'intérieur du grand collisionneur de hadrons, le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde. En brisant des protons ensemble, les scientifiques espèrent découvrir des particules insaisissables, comme WIMPS. Crédit :CERN
D'autre part, si le WIMP ne se présente jamais, les expériences de détection directe auront rayé quelques prétendants de la liste de contrôle, bien qu'à grands frais. Mais, en prime, la recherche de WIMPs a poussé la technologie des détecteurs à des longueurs impressionnantes. Certaines de ces avancées sont déjà réutilisées dans d'autres branches de la physique, comme la physique des neutrinos. Ainsi, même avec un résultat négatif dans sa mission première, l'effort pour trouver le WIMP n'a pas été vain.
Le rasoir d'Occam ne le coupe pas toujours
La partie visible de notre Univers est constituée d'une liste très limitée d'ingrédients :quarks, les leptons (comme les électrons et les neutrinos), et quatre forces qui permettent aux particules d'interagir. De ces modestes blocs de construction vient toute la diversité - des étoiles dans le ciel, à la vie sur Terre, tout peut être réduit à des configurations compliquées de ces simples constituants.
Il n'y a aucune raison fondamentale pour que la partie sombre de notre monde soit moins diversifiée que la partie visible. On peut même imaginer la matière noire se fondre en étoiles noires, planètes, et la vie, qui existent entièrement isolés de notre monde. Pour eux, nous sommes la matière noire.
Cependant, concevoir des expériences pour rechercher la matière noire est une question pratique, et il est difficile de chercher plus d'une chose à la fois. Par conséquent, nous avons tendance à nous en tenir au rasoir d'Occam et à essayer de trouver les réponses les plus simples possibles à la question de la matière noire.
Malheureusement, Le rasoir d'Occam n'est pas un théorème mathématique, et la nature ne se soucie pas de la "vraisemblance" de diverses théories selon les physiciens. En vérité, nos modèles simplifiés de matière noire peuvent céder la place à une réalité beaucoup plus complexe et désordonnée.
Dans ce cas, nous ne verrons jamais une grande découverte de la matière noire, mais une compréhension progressive des petites pièces d'un énorme puzzle.
Nous pensons toujours que la matière noire est constituée de particules qui gravitent, mais la seule chose dont nous sommes sûrs, est que ce sera un sujet pour les physiciens pendant de nombreuses années à venir.
Il n'y a absolument aucune garantie que nous découvrirons une particule de matière noire. Mais nous pourrions. Et cela pourrait changer notre compréhension de tout.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de ScienceNordic, la source de confiance pour les nouvelles scientifiques en anglais des pays nordiques. Lisez l'histoire originale ici.
