Pour détecter la matière noire, on pourrait essayer de l’écouter

La matière noire est hypothétique et invisible, pourtant son rôle serait essentiel : l’Univers pourrait être composé de cinq fois plus de matière noire que de matière ordinaire. Mais ne serait-ce que la détecter réellement est une odyssée qui ne trouve pour l’instant aucun aboutissement. Dans un article de recherche publié dans l’édition octobre 2019 des Physical Review Letters, une méthode originale est proposée : « écouter » la matière noire.

Toutes les stratégies pour tenter de détecter la matière noire ont jusqu’ici échoué. Alors, depuis quelques années, les astrophysiciens se permettent d’explorer de nouvelles pistes. Par exemple, on peut citer cette drôle d’idée que de chercher la matière noire dans de la roche ancienne, sur Terre, qui aurait gardé l’empreinte de la mystérieuse matière. Le problème, dans cette quête, c’est que la réussite de la stratégie adoptée dépendra… de ce qu’est vraiment la matière noire.

Représentation 3D de la distribution en matière noire dans un espace donné.

Source : NASA/ESA/Richard Massey

La théorie la plus consensuelle admet qu’elle est une particule. Mais alors laquelle ? Un neutrino alternatif ? Une pépite de quark ? Le consensus postule plutôt, jusqu’à maintenant, qu’il s’agit d’une particule différente de tout ce que l’on connaît : les WIMP, pour Weakly Interacting Massive Particles (particules massives à faible interaction). Il existe bien d’autres idées, moins accréditées, mais à un tel niveau de variables inconnues, tout est possible et intéressant à explorer. En l’occurrence, les chercheurs qui publient cette nouvelle étude pensent que la matière noire sera en fait constituée d’axions — une particule hypothétique, supposée il y a plus de 30 ans, mais sous-estimée pendant trop longtemps, selon eux.

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Une antenne pour capter des « ondes omniprésentes »

Si, dans nos imaginaires, on perçoit une particule comme une sorte de petit grain, en réalité, en mécanique quantique, certaines d’entre elles peuvent prendre diverses formes, dont une forme ondulatoire, à l’image d’une vague. Ainsi, il faut percevoir un axion comme une « onde omniprésente qui traverse l’espace ».

Selon les chercheurs, cette particule serait l’une des meilleures candidates pour détecter la matière noire. Ils ont donc développé une stratégie adaptée : « Trouver un axion est un peu comme allumer la radio, illustrent les chercheurs dans un communiqué de l’université de Stockholm. Vous devez allumer votre antenne jusqu’à trouver la bonne fréquence ». Ce n’est pas de la musique, que vous écouterez alors, mais de la matière noire.

Représentation de la chambre de détection radio des axions.

Source : Alexander Millar/Stockholm University

La méthode de détection est basée sur une chambre remplie de plasma froid, une matière conductrice où les particules chargées, comme des électrons, peuvent se mouvoir librement comme un fluide. Quand une particule chargée passe par ce plasma, une oscillation accentuée se produit. Elle est facilement détectable. Au sein du plasma est également placé un maillage de fils très fins aux caractéristiques électromagnétiques. La chambre est aimantée, ce qui permet, en bougeant les fameux fils, d’obtenir différentes fréquences. L’idée est qu’en traversant le plasma, les particules d’axions émettront un petit champ électrique et se feront alors connaître, par une oscillation, si l’on trouve la bonne fréquence.

Les précédentes tentatives pour détecter les axions se basaient sur une cavité résonante. Dans cette nouvelle proposition, l’idée de remplir la cavité avec du plasma est la clé pour une « radio à axions », car cela offre un volume de signaux détectables plus large que jamais, à de très hautes fréquences. Cette toute nouvelle stratégie pourrait bien apporter une piste solide, car « construire un plasma radio nous permettrait de réaliser des expérimentations bien plus larges que les techniques traditionnelles ». Les chercheurs se réjouissent que leur idée séduise déjà la communauté scientifique, ce qui est « prometteur pour construire une expérience à grande échelle ».