Les physiciens prévoient de ne pas rater une seule opportunité: si la matière noire affecte différents types de détecteurs, si la lumière des étoiles se plie, si les noyaux des planètes se réchauffent et si elle est déposée dans les roches.
Options de graphique masse de particules de matière noire (cliquable)
Depuis lors, comme dans les années 1980, il a convenu que la majeure partie de la masse de l'univers nous est invisible, et que cette «matière noire» devrait empêcher la galaxie de se détruire et de se former par gravité dans tout le cosmos , les expérimentateurs ont recherché ces particules non lumineuses.
Ils ont d'abord commencé à rechercher une forme lourde et lente de matière noire appelée particules massives à faible interaction.(particule massive à faible interaction, WIMP) - wimps. Ce premier candidat était l'un des candidats les plus préférés pour le rôle de la matière cosmique perdue - il pouvait résoudre un autre casse-tête distinct de la physique des particules. Pendant des décennies, les physiciens ont construit des cibles de plus en plus grandes sous la forme de cristaux et de réservoirs de plusieurs tonnes de liquides exotiques, dans l'espoir d'attraper le rare scintillement des atomes qui se produit après la collision avec les WIMP.
Mais les détecteurs sont restés silencieux et les physiciens commencent de plus en plus à spéculer sur un plus large éventail de possibilités. Du côté le plus massif du spectre, disent-ils, la matière invisible de l'Univers peut s'agglutiner , formant des trous noirs pesant d'une étoile. À l'autre extrême, la matière noire peut voyager dans une fine brume de particules, des milliers de milliards de milliards de fois plus légères qu'un électron.
Les nouvelles hypothèses apportent de nouvelles méthodes de détection. Catherine Zurek, physicienne théorique au California Institute of Technology, dit que si nous ne voyons rien dans les expériences actuelles du WIMP, "alors beaucoup de recherches dans ce domaine se déplaceront vers ces nouvelles expériences."
Et le travail a déjà commencé. Voici quelques-unes des nombreuses nouvelles frontières dans la recherche de la matière noire.
Entre un électron et un proton
Les WIMP auraient suffisamment de masse pour abattre des atomes entiers comme une boule de bowling. Mais dans le cas où la matière noire est plus claire, dans certaines expériences, des broches plus claires sont préparées.
Une légère pluie de particules de matière noire pesant moins qu'un proton pourrait parfois faire sortir des électrons de leurs atomes. La première expérience conçue spécifiquement pour capturer une telle matière noire est le Sub-Electron-Noise Skipper CCD Experimental Instrument ( SENSEI ), qui utilise une technologie similaire à celle des appareils photo numériques. Il amplifie les signaux d'électrons accélérés de manière inattendue qui apparaissent à l'intérieur de la substance.
Lorsque le prototype SENSEI a été mis sous tension, en y plaçant un dixième de gramme de silicium, il n'a pas trouvé de matière noire. Et toujours les résultats obtenuspublié par l'équipe en 2018, a immédiatement exclu certains modèles.
«Dès que nous l'avons allumé, nous avons immédiatement obtenu les meilleures contraintes du monde», a déclaré Tien-Tien Yu , physicien à l'Université de l'Oregon et membre de l'équipe SENSEI. "Parce qu'il n'y avait aucune restriction avant."
Les résultats récents de la version de 2 grammes de l'expérience SENSEI ont élargi ces limites, et maintenant Yu et ses collègues se préparent à mettre en œuvre la version de 10 grammes dans un laboratoire souterrain au Canada, loin des rayons cosmiques interférents. D'autres groupes développent des versions alternatives à faible coût d'expériences visant des résultats similaires et facilement réalisables.
Vers le soulagement
Si la matière noire est encore plus claire ou n'est pas sensible aux charges électriques, elle n'assommera pas les électrons. Tsyurek a réfléchi à des méthodes qui permettraient à une si petite quantité de sa présence d'être influencée par des groupes de particules.
Imaginez un bloc de silicium sous la forme d'un matelas dont les ressorts sont des noyaux atomiques. Si vous jetez une petite pièce de monnaie dans un tel matelas, dit Tsyurek, aucun des ressorts ne bougera trop. Cependant, la pièce provoquera une vague qui traversera ensuite de nombreuses sources. En 2017, elle a suggéré qu'une perturbation similaire causée par la matière noire pourrait générer des ondes sonores qui chauffent légèrement le système.
L'un des projets suivant cette voie, Tesseract, travaille maintenant dans le sous-sol de l'Université de Californie à Berkeley. Il recherche les ondes générées par les particules de matière noire, de poids similaire à celles recherchées par SENSEI. Cependant, les futures versions de l'expérience permettront théoriquement de rechercher des particules mille fois plus légères.
Cependant, il existe également plus de possibilités lilliputiennes. La matière noire peut être composée d' axions - des particules si légères qu'elles ressemblent plus à des ondes qu'à des particules. Cela résoudrait également l' énigme de la force nucléaire puissante. Récemment, l'expérience Axion sur la matière noire ( ADMX ) a commencé à rechercher des axions qui se désintègrent en paires de photons dans un champ magnétique puissant. Plusieurs autres expériences similaires commencent à fonctionner.
Quelques expériencesciblez des particules encore plus légères. La plus petite masse qu'une particule de matière noire peut théoriquement posséder est mille billions de milliards de fois inférieure à la masse d'un électron. Ce serait une particule avec une onde d'énergie extrêmement faible, et avec une longueur d'onde comparable au diamètre d'une petite galaxie. Des particules encore moins lourdes seraient trop étalées dans l'espace et ne pourraient expliquer pourquoi les galaxies ne se désagrègent pas.
Conseils d'en haut
Alors que certains expérimentateurs préparent la prochaine génération d'appareils, dans l'intention d'établir un contact direct avec la matière noire, d'autres envisagent de sonder le ciel à la recherche de signes indirects de celle-ci.
On pense que les galaxies et les étoiles créent d'énormes nuages de matière noire qui attirent gravitationnellement la matière visible. Cependant, s'il y a de petits amas de matière noire, ils ne pourraient pas le faire. Ces petites bosses seraient complètement sombres, mais plieraient toujours la lumière des étoiles qui passe. Un groupe de chercheurs recherche des signes de cette "lentille" de la lumière des étoiles par des morceaux de matière noire dans les données du télescope spatial Gaia , actuellement en fonctionnement .
"Des structures sombres se déplacent dans notre galaxie", a déclaré Anna-Maria Taki, physicien à l'Université de l'Oregon, l'un des membres de ce groupe. "Quand ils bougent, ils déforment l'emplacement, le mouvement et les trajectoires des sources lumineuses."
Les résultats préliminaires , publiés en septembre, n'ont pas montré la présence de telles structures, dont la masse serait supérieure à 100 millions de soleils. Les chercheurs espèrent disposer de bases de données plus volumineuses où des nuages plus petits peuvent être trouvés. Et sur la base de la taille et de la forme de ces structures hypothétiques, les scientifiques seront déjà en mesure de comprendre comment les particules de matière noire interagissent les unes avec les autres.
D'autres chercheurs ont trouvé un moyen d'adapter le catalogue d'exoplanètes en croissance rapide pour la recherche. "Il y a juste des milliards de ces choses", a déclaré Rebecca Lin., physicien des particules au SLAC National Accelerator Laboratory, co-auteur de la proposition de septembre .
L'idée est qu'une planète volant à travers la Voie lactée pourrait accumuler de la matière noire dans son noyau. Les particules de cette matière noire, annihilant avec leurs antiparticules, réchauffent la planète. Les exoplanètes plus proches du centre de la galaxie traversent des amas plus denses de matière noire, elles devraient donc briller plus brillamment dans la gamme infrarouge. Lin et ses collègues ont calculé que si le futur télescope spatial James Webb peut mesurer la température de plusieurs milliers d'exoplanètes, alors dans un tel ensemble de données, il sera possible de considérer des signes d'annihilation de particules de matière noire, dont la masse est comprise entre un électron et un proton.
La matière noire est partout
Les Wimps sont peut-être en déclin, mais ils n'ont pas encore été complètement abandonnés. En mars prochain, le Laboratoire National du Gran Sasso en Italie lancera une expérimentation avec un réservoir xénon de 4 tonnes. L'équipe sud-coréenne Cosine-100 veut tester une affirmation controversée des participants à une autre expérience au Gran Sasso, DAMA. Dans ce dernier, un réseau de cristaux d'iodure de sodium a enregistré exactement le type de changements saisonniers dans les données qui devraient se produire lorsque la Terre met différents côtés du «vent» de matière noire à travers lequel elle passe. «Ils ont une modulation annuelle, sans aucun doute. Mais d'où vient-il? " A déclaré Catherine Fries , astrophysicienne à l'Université du Texas à Austin. "Nous ne pouvons pas comprendre cela."
Les calculs de Fries ont aidé à lancer l'ère de l'expérimentation WIMP. Maintenant, elle a de nouvelles idées pour trouver ces particules. En 2018, elle a suggéré que les wimps pourraient être contenues dans des roches de plusieurs kilomètres de profondeur, et elle a récemment rejoint une proposition visant à les déterrer.
De nombreux physiciens s'attendent à ce que la matière noire soit à la fois apathique et omniprésente. S'ils peuvent penser à suffisamment de moyens pour ressentir l'invisible, alors son influence invisible peut se manifester n'importe où. Ces méthodes comprennent la capture de différents types de détecteurs, la déformation de la lumière des étoiles, le chauffage des noyaux des planètes et même l'accumulation dans les pierres.
«Tout peut être un détecteur de matière noire», a déclaré Lin. "Vous avez juste besoin d'être assez créatif pour comprendre comment l'utiliser."