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La matière noire pointe-t-elle enfin le bout de son nez dans Xenon 1T ? – Futura

Le détecteur géant Xenon 1T voit pour la première fois un excès d’événements comme le disent les physiciens dans leur jargon. Le nombre de ces événements est encore trop faible pour être significatif, comme le savent tous les statisticiens débutants, mais les observations suggèrent que la découverte des particules de matière noire n’est peut-être pas très loin. Il pourrait par exemple s’agir d’axions.

« Φύσις κρύπτεσθαι φιλεῖ » : c’est du grec ancien. Cela se prononce « Phusis kruptesthai philei » et signifie « La Nature aime à se cacher ». Cet aphorisme du philosophe Héraclite d’Éphèse (de la fin du VIᵉ siècle av. J.-C.) nous vient rapidement à l’esprit lorsque nous lisons la toute récente mise en ligne de cet article, bientôt disponible sur arXiv. Ce dernier a été rédigé par une brillante équipe internationale de physiciens, membres de la collaboration XENON 1T. Cette expérience a été inaugurée le 11 novembre 2015 (voir l’article ci-dessous) et se trouve au laboratoire souterrain du Gran Sasso, en Italie.

C’est la version améliorée de l’expérience XENON 100. Elle est bien plus sensible théoriquement au flux de Wimps (pour Weakly Interacting Massive Particles), une classe hypothétique de particules de matière supposées prometteuses lorsque les scientifiques cherchent à percer l’énigme de la matière noire qui doit remplir l'<a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/astronomie-univers-15239/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Univers" data-number data-copy="On regroupe sous le terme d’« univers » l’ensemble de tout ce qui existe. Cet ensemble est régi par un certain nombre de lois.
L’histoire de l’univers commence il y a quelque 13,7 milliards d’années dans une soupe extrêmement dense et chaude. Les lois de la physique telles que nous les… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/1/5/5/1557798396_80921_univers.jpg » data-url= »/sciences/definitions/astronomie-univers-15239/ » data-more= »Lire la suite »>Univers observable, selon le fameux modèle cosmologique standard développé par des pionniers, dont en particulier James Peebles, le prix Nobel de <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-physique-15839/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Physique" data-number data-copy="La physique est une science de la nature expérimentale qui étudie les phénomènes naturels et leurs évolutions. Elle établit des théories qui permettent de les modéliser et, de fait, de les prévoir.
Les théories établies par la physique s’appliquent dans des cadres bien définis.
La physique… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/8/9/6/896f032c90_91933_physique-def.jpg » data-url= »/sciences/definitions/physique-physique-15839/ » data-more= »Lire la suite »>physique 2019.

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Une présentation de la chasse aux particules de matière noire avec l’expérience XENON 1T. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © LDC Audiovisivi

Un excès de collisions de particules avec les atomes de xénon

Qu’annonce donc cet article ? Pas encore la découverte des mythiques particules de matière noire mais bel et bien celle d’indices sérieux de leur détection par le détecteur XENON 1T, rempli de 3,2 tonnes de <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/chimie-xenon-14902/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Xénon" data-number data-copy="Le xénon présente la particularité d’être le gaz rare le plus rare (et donc le plus cher) derrière l’argon, ce dernier n’ayant que des isotopes radioactifs.
Généralités
Symbole : XeNuméro atomique : 54Électrons par niveau d’énergie : 2, 8, 18, 18, 8Masse atomique : 131,293 uIsotopes les plus… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/0/8/1/0815641520_75195_xenon.jpg » data-url= »/sciences/definitions/chimie-xenon-14902/ » data-more= »Lire la suite »>xénon liquéfié ultra-pur. Les <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/chimie-atome-1990/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Atome" data-number data-copy="L’atome est, pour les chimistes, le constituant fondamental de la matière. Le terme vient d’ailleurs d’un mot&nbsp;grec qui signifie «&nbsp;indivisible&nbsp;», même si l’on&nbsp;sait depuis longtemps que cet élément&nbsp;ne l'est pas.
Composition&nbsp;d’un atome : protons, neutrons et… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/f/d/e/fde9a248d4_93400_atome.jpg » data-url= »/sciences/definitions/chimie-atome-1990/ » data-more= »Lire la suite »>atomes de ce gaz rare peuvent générer des grains de <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-lumiere-326/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Lumière" data-number data-copy="On désigne&nbsp;par le terme de «&nbsp;lumière visible »&nbsp;le spectre du rayonnement électromagnétique perceptible par l’œil humain.
La lumière blanche
Les longueurs d’ondes&nbsp;de la lumière visible&nbsp;s’échelonnent d’environ 380 nm (violet) à 780 nm (rouge).&nbsp;Le spectre visible est… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/b/6/9/b697a0c09f_85912_lumiere.jpg » data-url= »/sciences/definitions/physique-lumiere-326/ » data-more= »Lire la suite »>lumière et des électrons en entrant en interaction avec des particules, des signaux que peut mettre en évidence le détecteur en son sein et qui indiquent les occurrences de ces événements dans le jargon des physiciens des hautes énergies.

Les particules de matière noire ne sont pas les seules à pouvoir le faire mais les physiciens se sont enterrés sous le Gran Sasso pour que celui-ci fasse un important barrage aux <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/univers-rayon-cosmique-2446/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Rayon cosmique" data-number data-copy="Particule chargée très rapide en provenance du milieu interstellaire. Ces particules sont surtout des protons (85%), des noyaux d'Hélium (14%), des électrons (1%) et d'autres noyaux atomiques.
Leur énergie est typiquement de 1 GeV (l’énergie qu’aurait un électron accéléré par une tension… » data-url= »/sciences/definitions/univers-rayon-cosmique-2446/ » data-more= »Lire la suite »>rayons cosmiques constitués de particules connues, et ils pensent avoir évalué correctement le léger bruit de fond des désintégrations radioactives des atomes dans la paroi rocheuse entourant le détecteur, tout aussi bien que celles dans le détecteur lui-même.

Au bout d’une campagne d’observations menée de février 2017 à février 2018, un surprenant excès de 53 événements par rapport aux 232 événements attendus a été observé. Cet excès pourrait bien sûr être dû à une mauvaise <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/matiere-modelisation-11321/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Modélisation" data-number data-copy="La modélisation est la représentation d'un système par un autre, plus facile à appréhender. Il peut s'agir d'un système mathématique ou physique. Le modèle sera alors numérique ou analogique.
La modélisation numérique
La modélisation numérique consiste à construire un ensemble de fonctions… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/a/0/8/a0817e96b9_50037926_soleil-simulation-vibrations-sismologie.jpg » data-url= »/sciences/definitions/matiere-modelisation-11321/ » data-more= »Lire la suite »>modélisation du contenu en atomes radioactifs du détecteur et de son environnement, en l’occurrence quelques noyaux d’un isotope radioactif de l'<a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/chimie-hydrogene-14495/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Hydrogène" data-number data-copy="Élément le plus léger dans l’univers et premier élément dans le tableau périodique, l’hydrogène est aussi le plus abondant, constituant les étoiles comme les nuages moléculaires. Il compose aussi l’une des molécules vitales pour la vie : l’eau.
Généralités
Symbole : H Numéro atomique :… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/3/8/8/38807f95a1_50010101_equinoxprom-eit-big.jpg » data-url= »/sciences/definitions/chimie-hydrogene-14495/ » data-more= »Lire la suite »>hydrogène, le tritium. À ce stade de l’accumulation de la statistique, nous n’en avons pas assez pour écarter cette hypothèse.

Mais si les physiciens ont bien fait leur travail d'<a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/maison/definitions/maison-isolation-10728/" class="tooltip-link" data-color="dark-yellow" data-title="Isolation" data-number data-copy="L'isolation consiste de manière générale à empêcher le contact entre un corps et ce qui l'entoure.
L’isolation en construction
Dans certains domaines, comme la construction, l’isolation consiste à protéger contre le bruit, la chaleur ou l’électricité. On parle d’isolation thermique pour désigner… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/0/8/8/0885276333_50037423_5019405035-9e911a37e6-b-02.jpg » data-url= »/maison/definitions/maison-isolation-10728/ » data-more= »Lire la suite »>isolation du détecteur et d’évaluation du bruit de fond le traversant, alors nous serions bel et bien devant les premières manifestations de l’existence d’une nouvelle physique, qu’il reste tout de même à confirmer avant de parler d’une découverte.

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Pierre Brun est physicien des particules à l’Irfu et travaille à la frontière entre la physique des particules et la cosmologie. Il s’intéresse à une théorie qui postule l’existence d’une particule dénommée « axion », qui résoudrait certains problèmes liés à la violation de symétrie dans les lois de la physique de l’interaction forte. Neutre et léger et interagissant très faiblement avec la matière, l’axion a toutes les caractéristiques pour être une particule de matière noire. © CEA Sciences

Une nouvelle physique avec des axions ou des neutrinos ?

Les caractéristiques des signaux observées s’accordent en effet avec deux hypothèses. Les événements pourraient être causés par les fameux <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-axion-4511/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Axion" data-number data-copy="L'axion est une particule hypothétique inventée par les théoriciens pour expliquer la symétrie charge-parité observée pour l'interaction forte.
L’axion pourrait constituer la matière non visible de l’univers.
Très légère (sa masse devrait se situer entre 10-6 et 10-3 eV/c2), électriquement… » data-url= »/sciences/definitions/physique-axion-4511/ » data-more= »Lire la suite »>axions, des particules de matière noire que peut aussi produire le <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/univers-soleil-3727/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Soleil" data-number data-copy="Etoile centrale du système solaire.
Le Soleil est l’étoile la plus proche de la Terre, dont elle est distante d’environ 150 millions de kilomètres. Le Soleil est situé à 8,5 kparsecs du centre de la Voie lactée. Dans la classification des étoiles, le soleil est une étoile de type G2.
La masse… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/1/d/9/1d9cd1d45f_50034577_eruption.jpg » data-url= »/sciences/definitions/univers-soleil-3727/ » data-more= »Lire la suite »>Soleil avec ses réactions thermonucléaires. De fait, le <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-spectre-1663/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Spectre" data-number data-copy="Phys. Représentation de la contribution (énergétique par exemple) des composantes monochromatiques d'une onde (onde sonore, onde électromagnétique ou rayonnement), en fonction de la fréquence (ou longueur d'onde) de ses composantes.
Par exemple, un spectre acoustique représente l’intensité… » data-url= »/sciences/definitions/physique-spectre-1663/ » data-more= »Lire la suite »>spectre en énergie établie possède un pic qui peut traduire une source chaude ayant précisément la température du cœur du Soleil. Toujours dans le jargon des physiciens, cette hypothèse est corroborée à un niveau de 3,5 sigma mais il faudrait atteindre 5 sigma pour parler d’une vraie découverte, comme dans le cas du <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-boson-3506/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Boson" data-number data-copy="Un boson est une particule de spin entier, il obéit à la statistique de Bose-Einstein. Les photons, les gluons, les W, le Z0 et le Higgs sont des bosons.
A une température proche du zéro absolu, les bosons peuvent se trouver dans le même état quantique, formant ainsi un gaz quantique parfait dans un phénomène appelé condensation de Bose-Einstein. » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/f/d/0/fd07c5d606_50034518_bosons.jpg » data-url= »/sciences/definitions/physique-boson-3506/ » data-more= »Lire la définition »>boson de Brout-Englert-Higgs. Futura a expliqué dans plusieurs articles ce que sont les hypothétiques axions que l’on chasse d’ailleurs avec un instrument du Cern.

Deux points doivent cependant être bien compris. Les axions que détecte peut-être XENON 1T ne proviendraient pas du bain de matière noire car celui-ci a été produit, s’il existe, pendant le Big Bang. Enfin, toutes les particules de matière noire ne sont pas forcément des axions mais la démonstration de l’existence de ces particules accréditerait automatiquement les modèles qui font jouer aux axions un possible rôle comme particule de matière noire.

Alternativement, et c’est la seconde hypothèse, l’excès d’événements pourrait également être dû à des neutrinos, dont on sait que des milliards traversent notre corps sans encombre chaque seconde, à condition qu’ils ne soient pas exactement comme le prédit le modèle standard de la physique des particules. Techniquement, il aurait un <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/matiere-moment-magnetique-3884/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Moment magnétique" data-number data-copy="Elec. Vecteur représentant l'aimantation d'un aimant, d'une boucle de courant.
Unité : l’ampère par mètre carré (A/m2). » data-url= »/sciences/definitions/matiere-moment-magnetique-3884/ » data-more= »Lire la définition »>moment magnétique anormal et tout comme dans le cas de la fameuse anomalie du moment magnétique du muon, cela traduirait l’existence de nouvelles particules. Cette hypothèse est, elle, corroborée à un niveau de 3,2 sigma. Nous n’aurions pas découvert de la matière noire mais bien de toute façon des indications d’une nouvelle physique.

On ne devrait pas tarder à en savoir plus, il est en effet prévu prochainement d’augmenter la sensibilité de Xenon 1T en multipliant par 3 son contenu en xénon liquide. De la même façon qu’il y a plus de chance de planter une flèche dans une cible quand celle-ci devient plus grande, le nombre d’interactions des atomes de xénon avec d’éventuelles particules de matière noire augmentera alors et sera plus net au-dessus du bruit de fond. La prochaine phase du programme XENON, XENON nT, contiendra en effet 5,9 tonnes de xénon et on estime obtenir un facteur de réduction de 6 du bruit de fond. Les études  préliminaires suggèrent qu’un signal du à des axions solaires pourrait être différencié de celui d’un fond de tritium à 5 sigma après seulement quelques mois de prises de données de XENON nT.

La Nature aime peut-être se cacher, comme disait Héraclite, mais elle nous a montré à plusieurs reprises qu’on pouvait tout de même voir certaines de ses arcanes, le boson de Brout-Englert-Higgs et les <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-onde-gravitationnelle-4003/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Onde gravitationnelle" data-number data-copy="Les ondes gravitationnelles sont des ondes se propageant dans le tissu élastique de l’espace-temps dont les déformations et la courbure sont gouvernées par les équations de la relativité générale.
Elles se propagent à la vitesse de la lumière en transportant de l’énergie. On peut les comparer… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/f/4/c/f4c81d66a7_86131_ligo-fusion-trou-noir-ligo-nsf-aurore-simonnet.jpg » data-url= »/sciences/definitions/physique-onde-gravitationnelle-4003/ » data-more= »Lire la suite »>ondes gravitationnelles sont là pour nous le rappeler et ne pas perdre courage.

Pour ceux qui aimeraient en savoir un peu plus il y a un article sur les observations de Xenon 1T dans le célèbre Quanta magazine et des analyses du physicien Adam Falkowski, sur son tout aussi célèbre blog : Résonaances.

Matière noire, les raisons d’y croire

Rappelons maintenant rapidement en quoi consiste l’énigme de la matière noire. Il existe une relation entre les caractéristiques d’une étoile et sa <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-masse-15213/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Masse" data-number data-copy="La masse est une propriété physique fondamentale d’un corps. Elle rend compte, dans une bonne approximation, de la quantité de matière contenue dans ce corps indépendamment de l’endroit où&nbsp;il se trouve.
L’unité de la masse : le kilogramme
La masse se représente par le symbole m et, dans… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/8/4/b/84b0382c5e_80528_masse.jpg » data-url= »/sciences/definitions/physique-masse-15213/ » data-more= »Lire la suite »>masse et on peut donc estimer le contenu en masse d’une galaxie constituée d’étoiles. On peut également mesurer les <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-vitesse-324/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Vitesse" data-number data-copy="La vitesse est le rapport d'une longueur par un temps. Son unité du système international est le mètre par seconde (m.s-1).
La vitesse ayant une direction et une intensité est représentée par un vecteur, le vecteur vitesse. La vitesse relative est la vitesse d’un corps par rapport à un autre ou par rapport à un repère. » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/3/1/9/319daf63f4_77541_leibniz-dp.jpg » data-url= »/sciences/definitions/physique-vitesse-324/ » data-more= »Lire la définition »>vitesses de rotation des étoiles et du gaz dans les galaxies. L’astronome Vera Rubin a établi pendant les années 1970 que ces étoiles et ce gaz dans beaucoup de galaxies tournaient plus vite qu’ils ne le devraient si la gravitation n’était produite que par la matière lumineuse visible. Déjà au cours des années 1930, l’astronome Fritz Zwicky était arrivé à une conclusion similaire en mesurant les vitesses des galaxies dans des amas. Elles se déplaçaient si vite qu’elles ne devaient pas pouvoir former des états liés par la gravitation de leurs masses. Dans tous les cas, il fallait postuler l’existence d’une composante cachée de masse bien plus importante que celle visible.

Au cours des dernières décennies, le problème est devenu plus aigu encore car les calculs de la nucléosynthèse du Big Bang indiquaient que bien qu’il dût exister une quantité importante de protons et de <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-neutron-3498/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Neutron" data-number data-copy="Le neutron est une particule neutre qui compose le noyau des atomes avec les protons. Pour cette raison, on l’appelle aussi, tout comme le proton, un nucléon. Il a été découvert en 1932 par James Chadwick.
Ce n’est pas une particule élémentaire, pas plus que le proton, car il est composé de… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/1/5/5/15590279f6_71819_atome.jpg » data-url= »/sciences/definitions/physique-neutron-3498/ » data-more= »Lire la suite »>neutrons que l’on ne voyait pas dans les étoiles et les galaxies, ces baryons ne pouvaient pas être assez nombreux pour rendre compte des observations. Impossible de rendre compte également de la naissance des galaxies et des caractéristiques du rayonnement fossile sans postuler là aussi l’existence de nouvelles particules relevant d’une nouvelle physique et formant des distributions de masses plus importantes que les particules de matière normale.

Certains astrophysiciens n’aiment pourtant pas postuler l’existence de nouvelles particules encore jamais vues, d’autant plus que depuis environ 20 ans, toutes les tentatives pour les détecter directement ou indirectement se sont montrées décevantes et c’est pourquoi ces chercheurs explorent une autre piste, celle de la modification des lois de la mécanique céleste dans le cadre de la théorie Mond. Récemment, il a cependant été avancé que tout le monde pourrait avoir raison, notamment si la matière noire est pour ainsi dire quantique et « floue ».

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Le documentaire complet sur la chasse aux particules de matière noire avec l’expérience Xenon 1T. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © LDC Audiovisivi

Ce qu’il faut retenir

  • Les particules de matière noire sont électriquement neutres et censées n’interagir que faiblement avec la matière normale. Il est toutefois possible d’en détecter.
  • Les résultats étaient jusqu’à présent décevants. Il est cependant possible d’augmenter la sensibilité des détecteurs utilisés en augmentant leur taille, comme cela a été fait pour découvrir les oscillations des neutrinos.
  • L’une des dernières expériences à ce sujet s’appelle Xenon 1T. Elle vient de livrer des résultats encourageants en détectant des signaux qui pourraient trahir l’existence des axions, des particules de matière noire que pourrait en particulier produire le Soleil. Mais il reste encore du travail avant de parler d’une découverte.

Pour en savoir plus

L’expérience Xenon 1T inaugurée sous le Gran Sasso, en Italie

Article de Laurent Sacco publié le 23/11/2015

Le 11 novembre 2015, l’expérience Xenon 1T a été inaugurée en Italie, sous le massif du Gran Sasso. Les physiciens partiront à la chasse aux particules de matière noire pendant deux ans. Des résultats sont attendus dès 2016, même s’il ne s’agit encore que de fixer de nouvelles bornes sur les caractéristiques de ces particules, à défaut de réaliser une vraie découverte.

Les observations de Planck concernant le rayonnement fossile ont considérablement affermi le modèle standard de la <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/univers-cosmologie-15241/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Cosmologie" data-number data-copy="Le terme de cosmologie désigne la branche de l’astrophysique qui s’intéresse à l’origine, la nature, la structure et l’évolution de l’univers pris dans son ensemble.
Cosmologie et relativité générale
La physique newtonienne étant incapable de décrire l’univers dans son ensemble, la cosmologie… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/c/8/1/c8184d0dd8_80923_cosmologie.jpg » data-url= »/sciences/definitions/univers-cosmologie-15241/ » data-more= »Lire la suite »>cosmologie. Il ne semble absolument pas possible de faire naître les galaxies et les grandes structures qui les regroupent sans faire appel à la matière noire. Sa nature exacte reste toutefois mystérieuse, même si les chercheurs espèrent toujours la fabriquer dans les détecteurs du LHC au cours de son second run.

En attendant, les physiciens continuent de la chasser dans des expériences enterrées. En effet, selon certaines estimations, environ 100.000 particules de matière noire passent chaque seconde à travers une surface équivalente à l’ongle du pouce. Ces particules sont nécessairement neutres et insensibles aux forces électromagnétiques, sans quoi elles pourraient émettre de la lumière et ne seraient donc pas « noires ». Il est peu probable qu’elles subissent des interactions nucléaires fortes avec la matière puisqu’elles ont échappé, jusqu’à maintenant, à toute détection en accélérateur ou dans le rayonnement cosmique. Elles peuvent cependant être sensibles à des forces au moins aussi peu intenses que les <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-particules-interaction-faible-15342/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Interaction faible" data-number data-copy="L’interaction faible est, avec l’interaction électromagnétique et l’interaction forte, l’une des forces décrites par le modèle standard de la physique des particules. Elle agit sur toutes les particules connues, y compris sur les neutrinos.
L’interaction faible et l’interaction forte en… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/e/3/2/e328d4f2cb_82332_interaction-faible.jpg » data-url= »/sciences/definitions/physique-particules-interaction-faible-15342/ » data-more= »Lire la suite »>forces nucléaires faibles, voire à ces forces elles-mêmes. Elles interagissent peut-être avec la matière normale en échangeant des bosons Z ou des bosons de Brout-Englert-Higgs.

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Une vue de la région du Gran Sasso, en Italie, où se trouve un laboratoire souterrain contenant de nombreuses expériences en physique des particules comme Xenon 1T, Cuore et Opera. © Xenon 1T Travel Log

Ces particules de matière noire sont donc difficiles à détecter ; les signaux qu’elles peuvent provoquer dans les instruments sont par ailleurs facilement noyés dans ceux générés par le bruit de fond des rayons cosmiques (ce qui nécessite de conduire des expériences sous plus d’un kilomètre de roche pour s’en affranchir) ou simplement par la <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/chimie-radioactivite-512/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Radioactivité" data-number data-copy="La radioactivité est avant tout un phénomène naturel.
Radioactivité naturelle
En effet, certains atomes&nbsp;sont instables :&nbsp;on les appelle les « radionucléides ». Ils présentent la propriété de se désintégrer de manière spontanée, pour donner un autre élément, en émettant des particules… » data-image= »https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/0/3/e/03ef3767b8_97175_definition-radioactivite.jpg » data-url= »/sciences/definitions/chimie-radioactivite-512/ » data-more= »Lire la suite »>radioactivité naturelle ambiante. On comprend donc aisément pourquoi l’expérience Xenon 1T, qui vient d’être inaugurée le 11 novembre 2015, se trouve au laboratoire souterrain du Gran Sasso, en Italie. Il s’agit d’une version améliorée d’une expérience similaire : au lieu de contenir 62 <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-kilogramme-354/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Kilogramme" data-number data-copy="Unité légale de masse (symbole&nbsp;: kg).
Masse du prototype international en platine iridié de 1889 déposé au pavillon des Poids et Mesures (à Sèvres, Hauts-de-Seine), sous le contrôle du Bureau international des poids et mesures (BIPM), dont le représentant français est le LNE (Laboratoire… » data-url= »/sciences/definitions/physique-kilogramme-354/ » data-more= »Lire la suite »>kilogrammes de xénon, un gaz noble, en l’occurrence ultra-pur liquéfié à -95 °C, cette version en contient maintenant 3,5 tonnes.

Des tonnes de xénon pour détecter des Wimps

Pourquoi un tel saut en masse ? Pour deux raisons :

  • d’abord parce que le flux de particules de matière noire est tout de même faible comparé à celui des <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-photon-3500/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Photon" data-number data-copy="Particule élémentaire (quantum) de la lumière. Un photon est un boson.
    Le nom photon vient du grec et signifie "lumière". En effet, le photon transmet l’interaction électromagnétique, la lumière étant un exemple d’onde électromagnétique. » data-url= »/sciences/definitions/physique-photon-3500/ » data-more= »Lire la définition »>photons du Soleil ou encore à celui des neutrinos ;
  • mais aussi et surtout parce que la probabilité d’interaction d’une particule de matière noire avec la matière normale est visiblement très faible. Il faut donc un détecteur massif pour augmenter la probabilité d’observer une collision, un « évènement » dans le jargon des physiciens.

En fait, plus il y a de cibles, plus il est probable que l’une de ces particules soit frappée. L’échec des tentatives précédentes, que ce soit avec XENON 100 ou d’autres détecteurs, a placé des bornes sur l’importance du flux de particules de matière noire et sa capacité à interagir avec la matière. Les physiciens savent maintenant que cette capacité d’interaction est plus faible qu’espérée il y a une dizaine d’années. Il a donc fallu augmenter la masse de matière normale utilisée pour tenter de détecter ces particules élusives. Forts de leur expérience, les physiciens ont d’ailleurs déjà prévu la possibilité d’utiliser encore plus de xénon, jusqu’à 7,6 tonnes, si cela se révélait nécessaire.

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La construction de l’expérience Xenon 1T. © Xenon 1T Travel Log

Quels types de particules de matière noire Xenon 1T pourrait-il détecter ? Il existe de multiples candidats possibles et il n’est pas exclu que la matière noire soit constituée d’un mélange de plusieurs particules différentes, issues des extensions du modèle standard. Pour la supersymétrie, il est souvent question du <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-neutralino-4660/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Neutralino" data-number data-copy="Particule supersymétrique neutre, à ne pas confondre ni associer au neutrino !
Elle résulterait d’une superposition/mélange quantique de partenaires supersymétriques des particules de l’interaction electrofaible. Massive et stable, c’est un candidat idéal pour la matière noire. » data-url= »/sciences/definitions/physique-neutralino-4660/ » data-more= »Lire la définition »>neutralino mais aussi du gravitino, le partenaire supersymétrique du graviton. Un autre candidat souvent proposé est l’hypothétique axion. Généralement aussi, les physiciens évoquent une grande classe de particules possibles rassemblées sous la dénomination de Wimp (pour Weakly Interacting Massive Particles), et c’est plus précisément cette possibilité qui va être explorée avec Xenon 1T.

Comme l’explique un communiqué du CNRS, une fois Xenon 1T entièrement opérationnelle, elle sera l’expérience de matière noire la plus sensible au monde. Dominique Thers, physicien membre du groupe au laboratoire Subatech de Nantes, est impliqué dans cette expérience internationale. Il précise : « L’expérience vient d’être achevée il y a quelques jours et nous avons déjà commencé à évaluer comment elle fonctionne. Bien sûr, nous voulons détecter les particules de matière noire mais, dans le cas où nous ne trouverions, après deux ans, que les prémices d’un signal, nous serions dans une excellente position pour le valider à l’aide de la prochaine étape du projet, Xenon nT ».

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Interview : quelles particules composent la matière noire ? Selon les calculs et les observations, il existerait dans l’espace une grande quantité de matière invisible. Cette masse mystérieuse, baptisée matière noire, est encore aujourd’hui une énigme à laquelle se frottent de nombreux chercheurs. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Richard Taillet, chercheur au LAPTH, afin qu’il nous en dise plus sur cette matière noire.

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