À une heure de Rome, dans la chaîne des Abruzzes, les physiciens Davide Franco et Davide D’Angelo (la similitude des prénoms est une coïncidence) descendent régulièrement sous la montagne. Sous l’épais bouclier du tunnel de Gran Sasso (1400 mètres de roches), vêtus de combinaisons blanches et de casques jaunes, ils sont depuis cinq ou six ans à la recherche de particules insaisissables, invisibles – mais qui pourraient bien, si elles étaient découvertes, révolutionner la science.

La substance mystérieuse que les deux Davide recherchent éperdument porte un nom tout droit sorti d’un livre de science-fiction : la matière noire. Mais les recherches qui l’entourent sont très sérieuses. Difficile d’expliquer de quoi il s’agit, puisque les physiciens ne le savent pas eux-mêmes. « Mais nous savons, par l’observation du cosmos et de nombreuses mesures, que la matière que nous connaissons, ordinaire, ne représente que 5% de tout l’univers. Et que les 95% restants sont composés d’énergie noire (70 %) et de matière noire (25 %). Il s’agit d’une matière invisible, sans lumière, donc entièrement noire. Une particule qui reste à découvrir, mais dont nous sommes sûrs qu’elle existe », remarque Davide Franco.

Le physicien italien, spécialiste des neutrinos au laboratoire AstroParticule et Cosmologie (APC) du CNRS, à Paris, note qu’un « certain nombre de choses dans l’univers » ne peut être expliqué sans invoquer la matière noire. Un neutrino est une particule élémentaire, subatomique, dépourvue de charge électrique, uniquement sensible à la gravité et à l’interaction faible, et dont la masse très faible lui permet de passer à travers la matière sans interagir avec elle – ce qui le rend quasiment indétectable pour les scientifiques.

Tout d’abord, la formation des galaxies, il y a plus de 13 milliards d’années : « à ses débuts, l’univers était un plasma primordial très homogène, avec de toutes petites irrégularités, dont on pense qu’elles ont fourni les germes de nos galaxies. Mais la seule interaction possible avec ces germes était la gravité… insuffisante pour permettre à des étoiles et des planètes de se former. La seule explication, c’est l’existence de puits de gravité, composés d’une matière ne produisant pas de lumière, capable de créer un supplément de gravité suffisant pour permettre aux particules qui forment les atomes de se regrouper ». Ensuite, le fait que des galaxies demeurent proches les unes des autres (jusqu’à former des amas de galaxies) : « leurs vitesses sont trop grandes pour leur permettre de rester soudées, sans l’existence d’un supplément d’attraction gravitationnelle, donc sans matière noire. » Cette « dark matter » est également invoquée pour expliquer pourquoi les étoiles restent dans leurs galaxies, au lieu de les quitter de par leur grande vitesse.

« On ne sait pas ce qu’est la matière noire, mais ce qui est sûr, c’est qu’elle existe, et qu’elle est tout autour de nous. Simplement, elle ne peut pas interagir avec la lumière, ni avec l’interaction forte et l’interaction faible », note de son côté Davide D’Angelo, avec son accent chantant. « Il existe trois façons de rechercher de la matière noire, explique le physicien des particules. En regardant des objets astrophysiques, et en cherchant dans le cosmos des irrégularités – l’observation indirecte ; en faisant entrer en collision deux particules ordinaires dans un accélérateur, comme le LHC (Grand collisionneur de hadrons) du CERN afin d’en produire ; et en regardant l’interaction de particules ordinaires et de particules de matière noire, via des détecteurs terrestres – l’observation directe. »

Plus puissant accélérateur de particules construit à ce jour, le LHC (Grand collisionneur de hadrons) est situé près de Genève. 
Crédits : CERN

Voyage au centre de la terre

Mais pour observer directement les particules de matière noire dans les meilleures conditions, encore faut-il se prémunir des rayons cosmiques, venus de l’espace, qui bombardent en permanence la Terre, et qui saturent les détecteurs. « Nous devons êtres absolument sûrs qu’il n’y a pas de “bruits” (interactions) pouvant être considérées par erreur comme de la matière noire. C’est pourquoi nous allons sous terre, les roches constituant un rempart contre toute forme de rayonnement susceptible de troubler les mesures », explique Davide Franco.

La plupart des scientifiques (dont ceux qui travaillent sous la montagne de Gran Sasso) pensent que les particules de matière noire sont des WIMPs (weakly interactive massive particles), des particules élémentaires dont l’existence a été théorisée dans les années 1980. Elles n’interagiraient presque jamais avec la matière ordinaire (nucléons et électrons), mais auraient une masse importante (de l’ordre de celle d’un noyau atomique) et iraient toujours par deux, selon la théorie de la supersymétrie de l’univers.

Crédits : Elbaz

« Si on découvrait de la matière noire, et qu’elle s’avérait correspondre aux WIMPs, nous résoudrions l’un des plus grands mystères de la physique d’aujourd’hui », n’hésite pas à proclamer avec passion David Elbaz, astrophysicien. Responsable au CEA du laboratoire « cosmologie et évolution des galaxies », membre du comité pour la sélection des futures missions spatiales de l’agence spatiale européenne (ESA), ce chercheur observe la matière noire de façon indirecte, en scrutant les galaxies et les amas de galaxies, à la recherche d’irrégularités. « Je suis de très près les expériences qui ont lieu sous terre, car la matière noire pourrait résoudre des paradoxes dans le domaine de l’infiniment grand (pourquoi les étoiles et les galaxies tournent trop vite), mais aussi dans celui de l’infiniment petit, en répondant à un problème lié aux trop grandes énergies invoquées par la physique quantique », explique-t-il, depuis son laboratoire du centre CEA de Saclay.

« La compétition s’est transformée en complémentarité »

Selon David Elbaz, « cette nouvelle forme de matière, c’est le Graal des physiciens, le chaînon manquant qui permettrait peut-être de concilier l’infiniment grand et l’infiniment petit, la théorie de la relativité d’Einstein avec la théorie quantique des champs et la théorie des cordes. » En Italie, à l’université de Milan, Davide D’Angelo va plus loin : « l’impact de la découverte de la matière noire serait colossal ; la matière noire joue un rôle dans la formation de l’univers, des galaxies, car elle est responsable de la formation des structures des galaxies. Mais elle est aussi essentielle dans le modèle de la physique des particules, car trouver de la matière noire fonderait une nouvelle physique. »

Enfoui à plus d’un kilomètre sous terre, Gran Sasso est connu pour être le plus grand laboratoire souterrain du monde, avec cinq détecteurs de matière noire (DAMA/LIBRA, CRESST2, XENON1T, WARP et DarkSide). Mais il n’est pas le seul centre caché sous terre à abriter des chercheurs en quête de WIMPs. Partout dans le monde, sous des montagnes ou dans des mines abandonnées, des astrophysiciens des particules sont ainsi partis à la chasse à la matière noire. Au total, une quarantaine d’expériences dans le monde poursuivent le même but – au Canada avec le SNOLAB (qui compte 4 détecteurs), au Soudan avec le projet américain CDMS (Cryogenic Dark Matter Search), au Japon dans le laboratoire de Kamioka, en France sous le tunnel du Fréjus, et en Espagne, sous le tunnel ferroviaire désaffecté de Canfranc.

Vue sur les panneaux de photomultiplicateurs de XENON1T, une expérience qui met en oeuvre le plus gros détecteur de matière noire jamais construit.
Crédits : Laboratoire nationale de Gran Sasso

Mais les chercheurs refusent de parler d’une « course » à la matière noire. « Il y a quelques années, c’était clairement une compétition. Et pour cause : les expériences menées depuis 5 ou 6 ans reposent toutes sur des techniques différentes – les détecteurs recherchent les WIMPs à travers leurs interactions (nucléaires) avec du xénon liquide, avec des cristaux souterrains, ou encore avec de l’argon liquide, comme c’est le cas avec DarkSide, sur lequel je travaille… Mais nous avons fini par comprendre qu’il est très difficile de dire si ce que nous détectons est bien de la matière noire : il faut impérativement confirmer une découverte en ayant recours à une autre technique, ou au moins à partir d’instruments semblables, mais issus d’autres labos de physique. Ainsi, la compétition s’est transformée en complémentarité », commente Davide Franco, stationné actuellement au CNRS, à Paris.

Une expérience pour en confirmer une autre

Sous les montagnes des Abruzzes, au laboratoire du Gran Sasso, Davide D’Angelo ne peux que confirmer les dires de son collègue. Le physicien des particules, qui mène depuis 7 ans des expériences sur les neutrinos, fait aussi partie, depuis trois ans, du projet international SABRE (Sodium Iodide with Active Background Rejection Experiment), dont l’objectif est de vérifier les résultats controversés d’une autre expérience. En 2003, les chercheurs du projet DAMA/LIBRA ont annoncé avoir détecté des traces de matière noire – via un détecteur utilisant des cristaux ­d’iodure de sodium (Nal), activés au thallium, et en analysant des variations potentielles de particules, chaque année, en fonction de la position de la Terre autour du Soleil. « Mais pour l’heure, aucune autre expérience du même type n’a pu confirmer cette découverte, pas même avec des détecteurs cent fois plus sensibles », note le scientifique italien.

« De nombreux chercheurs sont sceptiques et pensent que la source à l’origine de ce signal qu’à vu l’équipe italienne n’est pas la matière noire, mais viendrait de la radioactivité, des parois du labo, ou d’autres types de rayonnements. Mais comme un doute persiste, notre mission avec SABRE, c’est de réaliser la même expérience, ici au Gran Sasso, et en Australie, sous une ancienne mine d’or, donc dans deux hémisphères différents, afin de trouver des preuves directes de particules de matière noire – basées sur la lumière produite lorsque l’énergie est libérée par leur collision avec des cristaux d’iodure de sodium », explique Davide D’Angelo.

Le chercheur italien, qui s’est intéressé à la matière noire en participant en 2013 à l’expérience DarkSide (sur laquelle planche son confrère Davide Franco), est optimiste : « il y a bien sûr des chances pour que SABRE se solde par un échec, que l’équipe de DAMA/LIBRA se soit trompée, et que nous cherchions des fantômes pendant toute notre vie… Mais nous découvrirons de la matière noire, tôt ou tard ! C’est une quête très difficile, et je ne sais pas quand on la trouvera, mais j’ai la certitude qu’elle est là, quelque part ».

Crédits : DarkSide

À l’aube d’une « révolution scientifique » ?

Au laboratoire APC, Davide Franco est tout autant optimiste, car il mise sur la création de nouveaux outils, à même de changer la donne : « c’est un défi excitant, car cela nous pousse à créer des technologies complètement nouvelles – comme les TPC (chambres de projection de temps), qui utilisent du gaz pour reconstruire le passage de particules chargées traversant son volume, en 3D. Le DarkSide, qui est rempli d’argon liquide, est l’un de ces détecteurs, et d’ici 2020, il devrait être dix fois plus puissant et nous permettre de trouver enfin des WIMPs. »

Et si jamais les chercheurs finissaient par faire chou blanc ? « On est un certain nombre à penser que ce que l’on appelle matière noire provoquera, d’une façon ou d’une autre, une véritable révolution scientifique. Quand Copernic et Einstein ont changé notre vision du monde, à chaque fois, ils l’ont fait en constant une étrange coïncidence ; quelque chose qui ne colle pas, un bug dans notre représentation de l’univers. Et ce bug, aujourd’hui, représente 95% du contenu de l’univers, ce qui nous pousse à penser qu’il va être nécessaire d’invoquer un autre formalisme, une autre façon de décrire la physique, l’univers, la nature… que l’existence de la matière noire soit validée ou non ! », lance David Elbaz.

« Dans tous les cas de figure, on est à la veille de quelque chose de révolutionnaire, ajoute le scientifique, puisque si la matière noire n’existe pas, nous devrons revoir tout ce que nous savons des lois de la physique, à commencer par la loi de la gravitation ». Quoi que les astrophysiciens découvrent dans les profondeurs de la terre, ou dans le noir infini de l’espace, c’est donc notre compréhension de l’univers tout entier qui risque, inéluctablement, d’être chamboulée. Reste plus qu’à patienter jusqu’au dénouement final.