La chasse à la matière noire est l'un des défis les plus passionnants auxquels la physique fondamentale est confrontée au 21e siècle. Les chercheurs savent depuis longtemps qu'il doit exister, car de nombreuses observations astrophysiques seraient autrement impossibles à expliquer. Par exemple, les étoiles tournent beaucoup plus vite dans les galaxies qu'elles ne le feraient si seulement la matière « normale » existait.

Au total, la matière que nous ne pouvons voir que pour, au plus, 20 pour cent de la matière totale de l'univers, ce qui signifie qu'un remarquable 80 pour cent est de la matière noire. "Il y a un éléphant dans la pièce mais nous ne pouvons tout simplement pas le voir, " a déclaré le professeur Dmitry Budker, chercheur au PRISMA+ Cluster of Excellence of Johannes Gutenberg University Mayence (JGU) et au Helmholtz Institute Mayence (HIM), expliquant le problème auquel lui et bon nombre de ses collègues dans le monde sont confrontés.

La matière noire pourrait être constituée de particules extrêmement légères

Mais jusqu'à présent, personne ne sait de quoi est faite la matière noire. Les scientifiques dans le domaine envisagent et recherchent toute une gamme de particules possibles qui pourraient théoriquement être qualifiées de candidates. Parmi celles-ci figurent des particules bosoniques extrêmement légères, actuellement considérée comme l'une des perspectives les plus prometteuses. "Ceux-ci peuvent également être considérés comme un champ classique oscillant à une fréquence spécifique. Mais nous ne pouvons pas encore chiffrer cela - et donc la masse des particules, " a expliqué Budker. "Notre hypothèse de base est que ce champ de matière noire est couplé à la matière visible et a une influence extrêmement subtile sur certaines propriétés atomiques qui seraient normalement constantes."

Budker et son équipe à Mayence ont développé une nouvelle méthode qu'ils décrivent dans le numéro actuel de la principale revue spécialisée Lettres d'examen physique . Il emploie la spectroscopie atomique et implique l'utilisation de vapeur d'atome de césium. Ce n'est que lors de l'exposition à la lumière laser d'une longueur d'onde très spécifique que ces atomes deviennent excités. La conjecture est que des changements infimes dans la longueur d'onde observée correspondante indiqueraient le couplage de la vapeur de césium à un champ de particules de matière noire.

"En principe, notre travail est basé sur un modèle théorique particulier, dont nous testons expérimentalement les hypothèses, " a ajouté l'auteur principal de l'article, Dr Dionysis Antypas. "Dans ce cas, le concept qui sous-tend notre travail est le modèle de relaxation développé par nos collègues et co-auteurs de l'Institut Weizmann en Israël." Selon la théorie de la relaxation, il doit y avoir une région au voisinage de grandes masses comme la Terre dans laquelle la densité de matière noire est plus grande, rendant les effets de couplage plus faciles à observer et à détecter.

Plage de fréquences précédemment inaccessible recherchée

Avec leur nouvelle technique, les scientifiques ont maintenant accédé à une gamme de fréquences jusqu'alors inexplorée dans laquelle, comme le postule la théorie de la relaxation, les effets de certaines formes de matière noire sur les propriétés atomiques du césium devraient être relativement faciles à repérer. Les résultats permettent également aux chercheurs de formuler de nouvelles restrictions quant à la nature probable de la matière noire. Dmitry Budker compare cette recherche méticuleuse à la chasse au tigre dans un désert. "Dans la gamme de fréquences que nous avons explorée dans notre travail actuel, nous n'avons toujours pas localisé la matière noire. Mais au moins, maintenant que nous avons recherché dans cette plage, nous savons que nous n'avons pas à le refaire. » Les chercheurs ne savent toujours pas où se cache la matière noire – le tigre dans sa métaphore, mais ils savent maintenant où il n'est pas. "Nous continuons simplement à cibler de plus près la partie du désert où le tigre est le plus susceptible de se trouver. Et, à un moment donné, nous allons l'attraper, " a soutenu Budker avec confiance.