Vive la détection directe !

Une nouvelle expérience de recherche de matière noire (LUX, voir par exemple la news de Sean Bailly sur le sujet) vient de rendre publics ses résultats : ils sont négatifs, dans le sens où l'expérience n'a détecté aucune particule qui pourrait prétendre au titre de particule de matière noire.

La matière noire, c'est le nom qu'on donne au problème suivant : de nombreuses observations astronomiques montrent que les galaxies, les amas de galaxies et l'Univers tout entier évoluent comme s'ils étaient soumis à une gravité beaucoup plus grande que celle causée par leurs constituants visibles. Comme s'ils contenaient une grande quantité de matière sous une forme qu'on n'aurait pas encore détectée autrement que par cet effet gravitationnel. Une des solutions envisagées très sérieusement est que l'Univers serait rempli de particules d'un type nouveau, qui interagiraient suffisamment peu avec la matière ordinaire pour passer inaperçue (sauf par ses effets gravitationnels, l'Univers ne peut pas mentir sur sa masse !). Cette hypothèse contente aussi les physiciens des particules, mais c'est un autre sujet...

Pour tester cette hypothèse, les expérimentateurs s'appuient sur deux approches très différentes : la détection directe cherche à mesurer le passage d'une particule de matière noire dans un détecteur entouré de blindage (pour le protéger au mieux des rayons cosmiques et des produits de la radioactivité, qui contiennent des particules que l'on pourrait confondre avec celles que l'on cherche) tandis que la détection indirecte s'intéresse aux produits des collisions de deux particules de matière noire qui en s'annihilant peuvent donner naissance à un excès de particules usuelles (des antiprotons, des positons, des neutrinos ou des photons, en particulier).

La détection indirecte est un sport extrêmement difficile : elle requiert de connaître avec une grande précision tous les phénomènes qui dans l'Univers peuvent donner naissance aux particules que l'on cherche. Considérons par exemple le cas des positons. Une compréhension parfaite des phénomènes cosmiques permettrait de prédire la quantité de positons que ces phénomènes induisent au niveau de la Terre. On pourrait alors comparer cette prédiction théorique aux mesures de positons cosmiques. En cas d'excès flagrant dans les mesures, les positons surnuméraires peuvent être soupçonnés d'avoir été formés par de la matière noire. C'est en quelque sorte la méthode de Sherlock Holmes, adaptée à l'astronomie : éliminez toutes les explications probables pour montrer que l'explication plus improbable qui reste est correcte. En réalité, cette méthode ne marche tout simplement pas, dans le cas de la matière noire, car notre connaissance des phénomènes de haute énergie n'est pas du tout assez précise et sûre pour nous permettre d'exclure une origine « standard » aux excès qu'on peut observer. Pire : un excès de positons, de photons ou d'antiprotons fait régulièrement le buzz dans la communauté des astrophysiciens des particules, à coup d'annonces « on a enfin trouvé la matière noire », alors qu'à chaque fois des explications ne faisant pas appel à la matière noire sont connues depuis longtemps.

La détection directe est un sport tout aussi difficile, mais au moins la physique en jeu est beaucoup mieux contrôlée : les phénomènes qui pourraient donner des faux positifs (des détections qui seraient interprétées à tort comme des particules de matière noire) font appel à de la physique nucléaire et à des processus qu'il est beaucoup facile d'identifier. L'évolution des résultats des nombreuses expériences de détection directe qui se succèdent depuis quelques décennies est impressionnante. Chaque expérience profite bien sûr des résultats des précédentes, en contrôlant de mieux en mieux le blindage des détecteurs, la radioactivité ambiante et les méthodes d'analyse. Il reste tout de même une certaine confusion : certaines expériences ont annoncé avoir détecté des particules qui pourraient être de la matière noire (mais d'une manière peu sûre, les événements étant souvent à la marge des capacités des expériences), tandis que d'autres excluent ces mêmes résultats avec un niveau de confiance très élevé.

Le résultat de LUX marque une avancée majeure dans le domaine, en réfutant les annonces positives de manière très convaincante. Le filet continue de se resserrer sur la matière noire qui défie les astrophysiciens depuis maintenant 80 ans !

On continue tout de même de rêver à une détection positive tout aussi convaincante...


2 commentaires pour “Vive la détection directe !”

  1. Renaud Répondre | Permalink

    [Marqué comme spam par Antispam Bee | raison du spam: Local DB Spam]
    Bonjour et merci pour ce blog très instructif.
    J'ai une question peut-être un peu floue et naïve à vous poser. Mais je tente quand même. Sans remettre en question bien sûr l'incroyable travail de la communauté scientifique depuis quelques siècles, quand on pense aux sujets tels que la matière noire, l'énergie noire et l'incompatibilité entre le modèle standard et la relativité générale, peut-on penser avoir les bonnes théories avec juste quelques chainons manquants pour les reliés où y a t-il une probabilité pour qu'à un moment dans l'histoire, et ce malgré des expériences répétées, quelque chose à été "omis" ou mal interprété?
    Je sais que ma question peut faire sourire, mais faut-il vraiment s'attendre un jour à lire un article disant "une particule de matière noire a été découvertes" et qui confirmerait les modèles utilisant la super-symétrie (j'utilise l'expression sans vraiment savoir de quoi je parle...) ou pensez vous qu'un "nouveau" Einstein réussira avec un autre point de vue à "débloquer" la situation?

    • Richard Taillet Répondre | Permalink

      Bonjour (désolé pour la réponse tardive, votre message avait été identifié comme un spam !)

      Vous demandez s'il est possible qu'un jour on se rende compte que tout un pan de la physique doive être remis en cause, et je ne vois pas comment je pourrais vous répondre autre chose que "oui". Ceci étant dit, je ne connais pas ce "nouvel Einstein" et le travail d'un scientifique, c'est aussi de pousser aussi loin que possible les conséquences des théories actuelles !

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