Un nouvel outil pour trouver la matière noire ne déterre rien

Même le plus fort les ondes gravitationnelles qui traversent la planète, créées par les collisions lointaines de trous noirs, ne font qu’étirer et comprimer chaque mille de la surface de la Terre d’un millième du diamètre d’un atome. Il est difficile de concevoir à quel point ces ondulations dans le tissu de l’espace-temps sont petites, et encore moins de les détecter. Mais en 2016, après que les physiciens aient passé des décennies à construire et à affiner un instrument appelé Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), ils en ont obtenu un.

Avec près de 100 ondes gravitationnelles désormais enregistrées, le paysage des trous noirs invisibles se déroule. Mais ce n’est qu’une partie de l’histoire.

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles prennent des concerts parallèles.

“Les gens ont commencé à se demander : ‘Peut-être qu’il y a plus dans ce que nous obtenons de ces machines que de simples ondes gravitationnelles ?'”, a déclaré Rana Adhikari, physicienne au California Institute of Technology.

Inspirés par l’extrême sensibilité de ces détecteurs, les chercheurs imaginent des moyens de les utiliser pour rechercher d’autres phénomènes insaisissables : avant tout, la matière noire, la substance non lumineuse qui maintient les galaxies ensemble.

En décembre, une équipe dirigée par Hartmut Grote de l’Université de Cardiff a rapporté dans Nature qu’ils avaient utilisé un détecteur d’ondes gravitationnelles pour rechercher la matière noire à champ scalaire, un candidat moins connu pour la masse manquante dans et autour des galaxies. L’équipe n’a pas trouvé de signal, excluant une grande classe de modèles de matière noire à champ scalaire. Maintenant, la matière ne peut exister que si elle affecte très faiblement la matière normale – au moins un million de fois plus faiblement qu’on ne le pensait auparavant.

“C’est un très bon résultat”, a déclaré Keith Riles, un astronome des ondes gravitationnelles à l’Université du Michigan qui n’a pas participé à la recherche.

Jusqu’à il y a quelques années, le principal candidat pour la matière noire était une particule lente et à faible interaction, semblable à d’autres particules élémentaires, une sorte de neutrino lourd. Mais les recherches expérimentales pour ces soi-disant WIMPs continuent d’échouer, laissant la place à une myriade d’alternatives.

“Nous avons en quelque sorte atteint le stade des recherches sur la matière noire où nous cherchons partout”, a déclaré Kathryn Zurek, physicienne théoricienne à Caltech.

En 1999, trois physiciens ont proposé que la matière noire soit constituée de particules si légères et si nombreuses qu’il vaut mieux les considérer collectivement, comme un champ d’énergie qui imprègne l’univers. Ce “champ scalaire” a une valeur en chaque point de l’espace, et la valeur oscille avec une fréquence caractéristique.

La matière noire à champ scalaire modifierait subtilement les propriétés d’autres particules et forces fondamentales. La masse de l’électron et la force de la force électromagnétique, par exemple, oscilleraient avec l’amplitude d’oscillation du champ scalaire.

Pendant des années, les physiciens se sont demandé si les détecteurs d’ondes gravitationnelles pouvaient repérer une telle oscillation. Ces détecteurs détectent de légères perturbations en utilisant une approche appelée interférométrie. Tout d’abord, la lumière laser pénètre dans un “séparateur de faisceau”, qui divise la lumière, envoyant des faisceaux dans deux directions à angle droit l’un par rapport à l’autre, comme les bras d’un L. Les faisceaux se reflètent sur les miroirs aux extrémités des deux bras, puis retournent vers le charnière du L et recombiner. Si les faisceaux laser de retour ont été désynchronisés – par exemple, par une onde gravitationnelle passante, qui allonge brièvement un bras de l’interféromètre tout en contractant l’autre – un motif d’interférence distinct de franges sombres et claires se forme.

La matière noire à champ scalaire pourrait-elle désynchroniser les faisceaux et provoquer un motif d’interférence? “La pensée commune”, a déclaré Grote, était que toute distorsion affecterait les deux bras de manière égale, s’annulant. Mais ensuite, en 2019, Grote a eu une prise de conscience. “Un matin, je me suis réveillé et l’idée m’est venue tout à coup : le séparateur de faisceau est exactement ce dont nous avons besoin.”

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