Recherche de la matière noire : faut-il changer de stratégie ?

La majeure partie de la matière de l’Univers est invisible. Nous détectons la présence de cette « matière noire » en mesurant l’influence gravitationnelle qu’elle exerce sur l’orbite des étoiles et des galaxies. Nous observons aussi la façon dont elle dévie la lumière de sa trajectoire rectiligne. Et nous déterminons comment elle contribue aux propriétés du rayonnement issu du plasma primordial du Big Bang, que l’on nomme le « fond diffus cosmologique ». Nous avons mesuré tous ces signaux avec une précision incroyable. Tous ces éléments convergent et nous amènent à penser que la matière noire est omniprésente dans le cosmos. Pourtant, nous ne savons toujours pas de quoi elle est faite.

Depuis des décennies, les physiciens et les physiciennes tentent de cerner la matière noire par l’entremise de différents détecteurs ou télescopes, mais en vain. La découverte tant espérée pourrait être pour bientôt, au cœur d’une des expériences en cours ou dans un projet en préparation. Mais cette longue attente, sans succès, sans indice, incite une partie de la communauté des scientifiques à se demander si nous ne cherchons pas au mauvais endroit, ou de la mauvaise façon.

La majorité des efforts expérimentaux se sont concentrés sur un nombre restreint de candidats possibles pour la matière noire, ceux qui semblaient les plus naturels, qui offraient des possibilités de détection simple et qui proposaient parfois des solutions à plusieurs problèmes de la physique fondamentale en même temps. Pourtant, rien ne garantit que ces autres énigmes et le dilemme de la matière noire soient liés. Les physiciens sont de plus en plus nombreux à reconnaître qu’il nous faudrait peut-être explorer un plus large éventail d’explications possibles.

Cette recherche infructueuse fait aussi naître un certain pessimisme avec l’idée déconcertante qu’il sera peut-être impossible de déterminer la nature de la matière noire. Dans les premiers temps de la chasse à la matière noire, cette éventualité semblait absurde. Nous disposions d’un grand nombre de bonnes théories et de nombreuses options expérimentales pour les tester. Mais les voies les plus faciles ont été empruntées et la matière noire s’est révélée plus mystérieuse que nous ne l’avions jamais imaginé. Si la matière noire n’interagit absolument pas avec la matière ordinaire, autrement que par la force gravitationnelle, il sera presque impossible de la détecter en laboratoire. Les observations astrophysiques resteront alors le seul espoir : en cartographiant la présence de la matière noire dans l’Univers, nous pourrons accumuler quelques indices sur ses propriétés, mais il faudra admettre que nous ne connaîtrons jamais sa véritable nature.

Certains physiciens proposent une autre voie, radicalement différente, et suggèrent que la matière noire n’existe tout simplement pas. Pour expliquer les observations, il faut alors modifier les lois de la gravitation . Les avis sont partagés, mais de notre point de vue, il est trop tôt pour se prononcer sur ces scénarios qui paraissent encore très complexes. À l’inverse, l’idée d’une nouvelle forme de matière qui n’émet ni n’absorbe de lumière paraît assez simple. En fait, nous disposons déjà d’un exemple de particules qui se comportent exactement comme ça. Les neutrinos sont des particules presque sans masse, omniprésentes et qui interagissent rarement avec la matière ordinaire. Mais nous savons déjà que les neutrinos constituent, au mieux, environ 1 % de la matière noire.

Alors, qu’en est-il des 99 % restants ? Le champ des possibles est vaste et il n’est pas impossible que la matière noire ne soit que la pointe d’un iceberg, qui cacherait une physique bien plus riche encore, fourmillant de nouvelles particules et de nouvelles forces ne faisant pas partie du modèle standard de la physique des particules. À l’heure actuelle, nous avons peu d’indices pour éclairer notre chemin, mais la puissance potentielle d’une telle découverte nous pousse à aller de l’avant.

Par une chaude soirée d’août 2022, nous nous sommes réunis avec plusieurs collègues, à l’université de Washington. Nous étions là pour discuter le futur de la recherche sur la matière noire, dans le cadre du « programme Snowmass ». Il s’agit d’ateliers de travail que la communauté américaine de la physique des particules organise tous les dix ans environ pour décider des priorités de la recherche future. Nous avions été chargés de résumer les progrès et le potentiel des travaux sur la matière noire. Un des objectifs était de faire un catalogue des candidats possibles et des idées pour les détecter.

L’heure du bilan

Cette réflexion arrive à un moment particulier dans la quête de la matière noire. Depuis les années 1990, des milliers de scientifiques ont exploré intensivement un nombre restreint d’hypothèses, dont ils ont exclu un grand nombre de possibilités. Il est temps de faire le point. Ces travaux se sont focalisés sur deux des propositions les plus populaires : le wimp (weakly interacting massive particle), une particule massive qui interagit faiblement avec la matière ordinaire, et l’axion, une particule très légère qui apparaît dans le cadre de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie qui décrit l’interaction forte. Ces idées avaient l’avantage de séduire à la fois les théoriciens, par la simplicité des modèles ou leur capacité à résoudre simultanément plusieurs problèmes, et les expérimentateurs qui pouvaient concevoir des détecteurs pour révéler ces particules.

Les wimps sont des particules hypothétiques, stables et dont la masse est comparable à celle des particules du modèle standard. La masse d’un proton est légèrement inférieure à 1 gigaélectronvolt (GeV) et la plupart des recherches de wimps se sont concentrées sur la plage de masse comprise entre 10 et 1 000 GeV (les physiciens des particules expriment les masses en unités d’énergie en utilisant la formule d’Einstein, E = mc²). La version la plus simple d’un wimp est celle d’une particule sensible à l’interaction faible, qui se couple donc directement avec les bosons W et Z du modèle standard. Le wimp apparaît naturellement dans les modèles de supersymétrie, où chaque particule connue possède une contrepartie plus lourde appelée « superpartenaire ». Il y a une quinzaine d’années, les physiciens espéraient que le LHC, le grand collisionneur du Cern, près de Genève, trouverait des superpartenaires. Ils auraient ainsi prouvé la nature supersymétrique du monde et potentiellement révélé la nature de la matière noire. Mais nous n’avons pas eu cette chance. La question de savoir si le monde est, d’une façon ou d’une autre, supersymétrique est encore ouverte. Cela n’exclut pas pour autant le wimp qui existe aussi dans des scénarios non supersymétriques.

Le miracle du wimp

Un des arguments forts en faveur du wimp porte sur les calculs d’abondance de cette particule : le wimp aurait été produit dans l’Univers primordial dans des quantités égales à celles de la matière noire que l’on observe aujourd’hui. En effet, lorsque le cosmos était beaucoup plus petit, plus dense et plus chaud qu’aujourd’hui, les interactions faibles suffisaient à produire des wimps à partir de la collision de deux particules du modèle standard. Le processus inverse se produisait aussi : lorsque deux wimps se rencontraient et s’annihilaient, ils créaient des particules ordinaires. Alors que l’Univers s’est refroidi, ces deux types de réactions ont fini par s’arrêter en ne laissant qu’une abondance résiduelle de wimps. Avec une masse de wimp de l’ordre de celle du boson de Higgs (autour de 100 GeV) et un couplage donné par l’interaction faible, on obtient une abondance compatible avec celle de la matière noire. Un mécanisme simple et séduisant.

Les wimps ont aussi un attrait pour les expérimentateurs. Les détecteurs sont composés d’atomes ordinaires et les wimps ont l’avantage d’interagir avec ceux-ci, certes faiblement, mais assez pour espérer repérer ainsi la matière noire. Il existe trois méthodes principales pour rechercher les wimps : les expériences en accélérateurs, dans lesquelles nous produisons des collisions à des énergies assez élevées pour produire des wimps ; les expériences de détection directe dont les capteurs sont assez sensibles pour voir des particules ordinaires réagir (par un effet de recul, d’émission de lumière ou de chaleur) quand elles sont percutées par un wimp ; et la détection indirecte, pour laquelle nous pointons des télescopes vers des régions de l’espace potentiellement riches en matière noire et où deux wimps ont une chance d’entrer en collision, de s’annihiler et de produire des particules (des rayons cosmiques) qui arriveraient jusqu’à nous.

Ce dernier processus est directement relié au mécanisme de production primordiale de la matière noire ; nous pouvons donc estimer le flux de rayons cosmiques provenant de l’annihilation de wimps. Pour les deux premières approches, les prédictions ne sont pas aussi claires. Dans les recherches au collisionneur, notre capacité à détecter les wimps dépend de leur masse : les wimps les plus massifs nécessitent plus d’énergie pour être produits, ce qui excède peut-être les capacités du collisionneur. Et dans le cas de la détection directe, nous ne savons pas à quelle fréquence les wimps se heurtent à des particules ordinaires.

Par le passé, certains signaux astrophysiques (de détection indirecte) ont été interprétés comme des indices possibles d’annihilation de matière noire, mais des explications moins exotiques ont aussi été proposées. Par exemple, en 2009, le télescope spatial Fermi a enregistré un excès de rayons gamma provenant du cœur de la Voie lactée (une région où l’on pense qu’il y a beaucoup de matière noire). Cette anomalie avait la bonne énergie pour être un signal d’annihilation de wimps. Alors pourquoi n’avons-nous pas crié victoire ? Certains pulsars (des étoiles à neutrons en rotation rapide) produisent des rayons gamma à des énergies similaires, et il est tout à fait possible que cet excès soit le signe d’une population d’étoiles de ce type, même si ces astres n’ont pas encore été observés directement. Nous espérons que cette question sera résolue dans les années à venir. La découverte d’un signal équivalent dans une expérience de détection directe ou dans un collisionneur conforterait la piste de la matière noire, tandis que la découverte d’un rayonnement provenant des étoiles à neutrons à d’autres longueurs d’onde l’exclurait.

D’ici une dizaine d’années, de futurs grands télescopes à rayons gamma, tels que CTA (Cherenkov Telescope Array), en cours de construction au Chili et en Espagne, et SWGO (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory), prévu en Amérique du Sud, testeront le scénario wimp jusqu’aux masses les plus élevées où il est viable. Cependant, même si nous n’observons pas d’annihilation de matière noire, cela ne permettra pas de conclure de façon définitive… Il existe des scénarios de wimps un peu exotiques, dans lesquels le processus d’annihilation primordial se désactive ultérieurement. Cependant, il nous restera les expériences dans les collisionneurs et la détection directe pour traquer ces cas difficiles.

Les expériences de détection directe ont fait des progrès incroyables en améliorant leur sensibilité aux événements rares. Par exemple, fin 2024, les expériences XENONnT et PandaX-4T ont annoncé avoir commencé à détecter des neutrinos provenant du Soleil et traversant leurs détecteurs. Les futurs détecteurs devraient voir ces particules en grande quantité. Cela signifie que les capteurs pourront traquer des wimps aussi furtifs que les neutrinos, voire encore plus…

L’axion est un type très différent de candidat à la matière noire et, jusqu’à récemment, nous n’avions pas les mêmes capacités pour le tester. Comme le wimp, il s’agirait d’une nouvelle particule fondamentale, bien que beaucoup plus légère, et même plus légère que les neutrinos. Si cette particule existe – qu’elle constitue ou non toute la matière noire –, elle résoudrait des énigmes de longue date dans notre compréhension de l’interaction forte, qui maintient la cohésion des protons et des neutrons au sein des noyaux atomiques. Par ailleurs, les théories de l’axion font des prédictions simples : la masse de l’axion influe directement sur la force de son interaction avec les particules ordinaires. Malheureusement, celle-ci devient extrêmement faible pour des axions légers, rendant leur détection ardue.

Cependant, les axions ont, par ailleurs, des effets étonnants et prometteurs. D’après la mécanique quantique, une particule se comporte aussi comme une onde et sa longueur d’onde est inversement proportionnelle à sa masse. Ainsi, la masse de l’axion la mettrait à la portée de détection. En outre, pour rendre compte de la matière noire, les axions devraient être si nombreux qu’ils manifesteraient des comportements collectifs, également intéressants pour les repérer.

Une marge de progression considérable

En raison de la faible interaction des axions avec la matière ordinaire, les chercheurs ont lancé peu d’expériences pour les trouver, et celles qui existent ne les traquent que sur une étroite plage de masses possibles. Or de nouvelles stratégies de détection et le développement de capteurs quantiques commencent à ouvrir l’exploration sur des gammes de masse plus étendues. La dernière version de ADMX-G2 voit sa sensibilité grandement améliorée et les projets à venir, comme DMRadio, promettent d’étendre considérablement la recherche de l’axion.

Au cours de la prochaine décennie, grâce aux avancées expérimentales attendues, il sera possible de tester le wimp et l’axion de façon quasi exhaustive sur leur gamme de masse naturelle. Avec un peu d’optimisme, on peut espérer qu’on aura la réponse à la question de la nature de la matière noire. Cependant… même si le wimp et l’axion sont de belles idées, il n’y a aucune raison que l’Univers se conforme à nos préférences esthétiques ou pratiques. Et au-delà de ces deux scénarios favoris, les possibilités sont presque infinies !

En effet, les théoriciens ont développé de très nombreux modèles de matière noire, chacun avec des particules et des forces différentes. Ils ont minutieusement répertorié les idées qui ont une chance de fonctionner et celles qui sont incompatibles avec les observations. Certaines sont des variantes assez proches des wimps ou des axions, d’autres n’ont vraiment rien à voir.

Il y a tout de même quelques contraintes qui limitent les possibilités. La masse des particules de matière noire, par exemple. Si ces dernières sont beaucoup plus légères que les axions – environ 25 ordres de grandeur plus légers que la masse de l’électron –, leurs longueurs d’onde seraient proches de la taille des amas d’étoiles ou des petites galaxies. Si tel était le cas, la distribution de la matière noire et son empreinte gravitationnelle seraient différentes.

Qu’en est-il à l’autre extrémité de l’échelle de masse ? Les plus petits amas de matière noire que nous observons directement représentent des dizaines de millions de fois la masse du Soleil. Cela fixe une limite supérieure sur la masse individuelle de ces particules. Dans cette gamme, la matière noire serait constituée d’objets denses et sombres – souvent surnommés « machos » (acronyme en anglais pour objets massifs et compacts du halo, terme qui s’oppose à wimp – qui signifie « mauviette » en anglais). La gravité de ces machos dévierait la lumière et perturberait les orbites des étoiles dans leur voisinage, autant d’effets que nous devrions voir. De nombreux cas de machos ont été exclus, mais une forme encore possible est celle de minuscules trous noirs, nés dans les premiers instants qui ont suivi le Big Bang. Ces trous noirs seraient beaucoup plus légers que le Soleil. Mais pour avoir une abondance comparable à celle qu’on estime pour la matière noire, ces trous noirs devraient avoir une masse équivalente à celle des astéroïdes du Système solaire, soit entre 100 milliards et 100 000 milliards de tonnes. Cela leur donnerait une masse individuelle égale à un millième de la masse de la Lune.

Pléthore de candidats

Il y a donc près de 75 ordres de grandeur entre ces trous noirs et les plus petites particules de matière noire possible (à titre de comparaison, le rapport entre le rayon de l’Univers observable et le rayon d’un proton n’est que de 41 ordres de grandeur). Entre ces deux extrêmes, nous disposons d’une pléthore d’options à explorer.

Le processus qui produirait des wimps dans l’Univers primitif fonctionne aussi pour de nombreuses autres particules. Si la matière noire était plus légère qu’un proton et était née par ce mécanisme, elle pourrait être la représentante parmi d’autres d’un « secteur caché » de la physique. Ces autres particules seraient généralement instables, de sorte qu’il y en aurait très peu dans l’espace. Cependant, elles pourraient apparaître dans les accélérateurs de particules, surtout si elles sont relativement légères. La matière noire légère et les secteurs cachés pourraient également exister sans dépendre du mécanisme des wimps pour produire la bonne quantité de matière noire : il existe une myriade d’autres possibilités pour générer l’abondance observée de matière noire.

Si le secteur sombre existe, nous avons besoin de nouvelles méthodes expérimentales pour le trouver. Les détecteurs classiques de wimps, par exemple, perdent en efficacité si les particules sont beaucoup plus légères que les noyaux atomiques, car leur principe de fonctionnement repose sur une sorte de fort « coup de pied » que les particules de matière noire donnent, en passant, à un atome du détecteur. Si ces projectiles sont légers, cela revient à vouloir mesurer le recul d’une boule de bowling frappée par une balle de tennis de table. Néanmoins, de nouvelles techniques, en cours de développement, seront sensibles à des effets de collisions sur les électrons (qui sont 2 000 fois plus légers que les protons).

Comment explorer un tel éventail de possibilités ? Au lieu de concentrer tous nos efforts sur quelques projets gigantesques, la stratégie la plus efficace consisterait à multiplier les petites expériences, chacune sensible à différents types de matière noire. Nous pouvons également utiliser ces petites expériences pour développer de nouvelles techniques et tester de nouvelles idées. Et si l’un de ces instruments se montre efficace ou détecte quelque chose qui pourrait être un premier indice de la présence de matière noire, nous pourrons alors l’appliquer à plus grande échelle.

Les recherches par détection indirecte dans l’espace couvrent déjà une vaste gamme d’échelles d’énergie. Par exemple, si la matière noire était instable, mais qu’elle se désintégrait si lentement en particules ordinaires que sa durée de vie typique serait aussi longue qu’un milliard de fois l’âge actuel de l’Univers, nous le saurions déjà pour de nombreuses masses possibles de la matière noire. Dans le cas des trous noirs primordiaux, ces contraintes impliquent que ces objets, s’ils constituent toute la matière noire, ne peuvent pas avoir une masse inférieure à environ 100 milliards de tonnes (car des trous noirs plus légers se désintègrent plus vite).

Malgré cette stratégie de diversification, il reste possible que nous ne détections aucun signal. Cartographier la distribution de la matière noire dans le cosmos restera une source importante d’information. En combinant les instruments actuels, et futurs, avec l’intelligence artificielle, il sera possible d’extraire des observations de nouveaux indices sur la nature fondamentale de la matière noire, qui compléteront ce que nous pouvons apprendre en laboratoire.

Approfondir et explorer

Après toutes les discussions de Snowmass, la communauté des physiciens a opté pour une stratégie équilibrée. Nous prévoyons d’approfondir nos efforts sur les wimps et les axions, tout en développant une recherche plus étendue (à un niveau moins profond) pour explorer autant de scénarios que possible. Si nous avons de la chance, l’une de ces expériences aboutira à une détection claire. Cela déclenchera alors un changement de paradigme. La communauté se concentrera alors sur ce signal, et nous planifierons de futures expériences pour mieux le comprendre. Une découverte inciterait également les théoriciens à se pencher sur la question plus générale de savoir comment relier la matière noire au reste du zoo de particules que nous connaissons.

Mais que se passera-t-il si aucune de ces expériences n’aboutit à un signal ? Lors du prochain programme Snowmass, dans une dizaine d’années, les physiciens devront composer avec ces conclusions éventuellement nulles pour orienter les recherches futures. Nous ne pouvons pas nier que cette possibilité serait décevante. Mais la science avance pas à pas, et les résultats qui nous apprennent où ne pas chercher sont tout aussi importants que ceux qui confirment la justesse d’une idée. Si nous pouvions prédire avec certitude ce que sera la matière noire, cela signifierait que nous connaissons déjà la réponse, ce qui rendrait notre travail beaucoup moins passionnant. Bien que nous ne puissions pas dire exactement quand ni même si nous trouverons la matière noire, nous savons que l’Univers en est rempli. Nous avons bon espoir que les prochaines années de notre quête nous permettront de mieux comprendre ce qu’elle est.