Au fond d’une ancienne mine d’or, des chercheurs traquent la matière noire

Dans une ancienne mine d’or du Dakota du Sud, à un kilomètre sous terre, plusieurs centaines de chercheurs s’appuient sur un énorme réservoir en titane rempli d’un gaz liquéfié rare pour identifier les traces de la matière noire. Pour l’heure, les équipes font chou blanc, mais restent optimistes.

Qu’est-ce que la matière noire ?

Nous savons que la vitesse à laquelle une étoile doit se déplacer pour rester sur son orbite dépend de la force de gravité qui l’attire vers le centre de sa galaxie, et donc de la masse de celle-ci. Il y a une cinquantaine d’années, en se focalisant sur les vitesses de plusieurs étoiles évoluant dans la Voie lactée, l’astronome Vera Rubin s’est aperçue que la quantité de matière visiblement disponible pour maintenir ces étoiles sur leur orbite était insuffisante. Dès lors, les chercheurs ont suggéré l’existence d’une forme de matière supplémentaire qui n’émet, n’absorbe et ne réfléchit aucune lumière, capable d’expliquer ces mouvements. Depuis, d’autres chercheurs et expériences ont permis de confirmer la présence de cette énigmatique « matière noire ».

On estime aujourd’hui qu’elle compose environ 26,8 % de l’Univers, contre seulement 4,9 % pour la matière dite « normale » ou baryonique. Le reste serait de l’énergie sombre, un autre grand mystère de l’astrophysique responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers.

On ignore encore de quoi cette matière noire se compose, mais les chercheurs sont sur le coup. Du moins, ils s’en donnent les moyens. L’une de ces expériences est d’ailleurs en cours dans les profondeurs sous Lead, dans le Dakota du Sud (États-Unis).

Au cœur d’une ancienne mine d’or

Deux énormes treuils de l’époque de la Dépression soutiennent la descente d’un ascenseur menant les scientifiques dans un tunnel d’une ancienne mine, menant lui-même à un laboratoire de haute technologie : l’expérience LUX-ZEPLIN. Le cœur de cette expérience est un réservoir géant appelé cryostat, une sorte de gigantesque « thermos » permettant de garder du xénon à l’état liquide.

L’idée est qu’un kilomètre de terre et de roche et réservoir géant constitué du titane le plus pur du monde bloqueront tous les rayons cosmiques et autres particules qui nous entourent et nous traversent tous les jours. Les scientifiques pensent que les particules de matière noire pourraient être capables d’éviter tous ces obstacles. En traversant la cuve, l’une de ces particules énigmatiques pourrait alors percuter un noyau de xénon comme deux balles dans un jeu de billard, révélant son existence dans un flash lumineux.

« Le xénon est spécial, car il permet aux chercheurs de voir si une collision se produit avec l’un de ses électrons ou avec son noyau. Si quelque chose frappe le noyau, il est plus probable que ce soit la matière noire que tout le monde recherche« , détaille Aaron Manalaysay, le coordinateur de la physique de l’expérience.

Si tous les calculs et théories sont exacts, les 250 scientifiques participants au projet pensent qu’ils ne verront que quelques signes fugaces de matière noire par an. La recherche a commencé il y a deux mois après un retard causé par la pandémie. Jusqu’à présent, l’appareil n’a rien trouvé, du moins pas de matière noire. Cependant, l’équipement semble fonctionner pour filtrer la plupart des rayonnements de fond.

À la fin de l’expérience prévue dans cinq ans, les chances de trouver de la matière noire avec cet appareil sont « probablement inférieures à 50%, mais supérieures à 10%« . Bien que ce soit loin d’être sûr, « vous avez besoin d’un peu d’enthousiasme« , souligne Kevin Lesko, physicien au Lawrence Berkeley National Laboratory. « Vous n’entrez pas dans la recherche physique rare sans espoir de trouver quelque chose. »