Dans une ancienne mine d’or à un kilomètre sous terre, à l’intérieur d’un réservoir en titane rempli d’un gaz liquéfié rare, les scientifiques ont commencé la recherche de ce qui jusqu’à présent était introuvable : la matière noire.
Les scientifiques sont à peu près sûrs que la substance invisible constitue la majeure partie de la masse de l’univers et disent que nous ne serions pas ici sans elle, mais ils ne savent pas ce que c’est. La course pour résoudre cet énorme mystère a amené une équipe dans les profondeurs sous Lead, dans le Dakota du Sud.
La question pour les scientifiques est fondamentale, déclare Kevin Lesko, physicien au Lawrence Berkeley National Laboratory. « Quel est cet endroit formidable où je vis ? À l’heure actuelle, 95 % de celui-ci est un mystère. »
L’idée est qu’un kilomètre de terre et de roche, un réservoir géant, un deuxième réservoir et le titane le plus pur du monde bloqueront presque tous les rayons cosmiques et les particules qui nous entourent et nous traversent tous les jours. Mais les particules de matière noire, pensent les scientifiques, peuvent éviter tous ces obstacles. Ils espèrent que l’un volera dans la cuve de xénon liquide dans le réservoir intérieur et percutera un noyau de xénon comme deux balles dans un jeu de billard, révélant son existence dans un flash de lumière vu par un appareil appelé « la chambre de projection temporelle ».
Les scientifiques ont annoncé jeudi que la recherche de 60 millions de dollars sur cinq ans avait finalement commencé il y a deux mois après un retard causé par la pandémie de COVID-19. Jusqu’à présent, l’appareil n’a trouvé … rien. Du moins pas de matière noire.
C’est OK, disent-ils. L’équipement semble fonctionner pour filtrer la plupart des rayonnements de fond qu’ils espéraient bloquer. « Pour rechercher ce type d’interaction très rare, la première tâche consiste à se débarrasser de toutes les sources ordinaires de rayonnement, ce qui submergerait l’expérience », a déclaré Carter Hall, physicien de l’Université du Maryland.
Et si tous leurs calculs et théories sont exacts, ils pensent qu’ils ne verront que quelques signes fugaces de matière noire par an. L’équipe de 250 scientifiques estime qu’ils obtiendront 20 fois plus de données au cours des deux prochaines années.
À la fin de l’expérience, les chances de trouver de la matière noire avec cet appareil sont « probablement inférieures à 50% mais supérieures à 10% », a déclaré Hugh Lippincott, physicien et porte-parole de l’expérience lors d’une conférence de presse jeudi.
Bien que ce soit loin d’être une chose sûre, « vous avez besoin d’un peu d’enthousiasme », a déclaré Lesko de Lawrence Berkeley. « Vous n’entrez pas dans la recherche physique rare sans espoir de trouver quelque chose. »
Deux énormes treuils de l’époque de la Dépression font fonctionner un ascenseur qui amène les scientifiques à ce qu’on appelle l’expérience LUX-ZEPLIN dans l’installation de recherche souterraine de Sanford. Une descente de 10 minutes se termine dans un tunnel aux parois froides au toucher bordées de filets. Mais l’ancienne mine moisie mène bientôt à un laboratoire de haute technologie où la saleté et la contamination sont l’ennemi. Les casques sont échangés contre de nouveaux plus propres et une double couche de bottillons bleu ciel passe par-dessus des bottes de sécurité à embout d’acier.
Le cœur de l’expérience est le réservoir géant appelé cryostat, a déclaré l’ingénieur principal Jeff Cherwinka lors d’une tournée en décembre 2019 avant que l’appareil ne soit fermé et rempli. Il l’a décrit comme « comme un thermos » fait de « peut-être le titane le plus pur au monde » conçu pour garder le xénon liquide froid et maintenir le rayonnement de fond au minimum.
Le xénon est spécial, a expliqué le coordinateur de la physique de l’expérience Aaron Manalaysay, 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, a-t-il déclaré.
Ces scientifiques ont tenté une expérience similaire, plus petite, ici il y a des années. Après être arrivés vides, ils ont pensé qu’ils devaient aller beaucoup plus gros. Une autre expérience à grande échelle est en cours en Italie dirigée par une équipe rivale, mais aucun résultat n’a été annoncé jusqu’à présent.
Les scientifiques essaient de comprendre pourquoi l’univers n’est pas ce qu’il semble.
Une partie du mystère est la matière noire, qui a de loin la majeure partie de la masse dans le cosmos. Les astronomes savent que c’est là parce que lorsqu’ils mesurent les étoiles et d’autres matières régulières dans les galaxies, ils constatent qu’il n’y a pas assez de gravité pour maintenir ces amas ensemble. S’il n’y avait rien d’autre là-bas, les galaxies « se sépareraient rapidement », a déclaré Manalaysay.
« Il est essentiellement impossible de comprendre notre observation de l’histoire, du cosmos évolutif sans matière noire », a déclaré Manalaysay.
Lippincott, un physicien de l’Université de Californie à Santa Barbara, a déclaré « nous ne serions pas ici sans matière noire ».
Donc, s’il ne fait aucun doute que la matière noire existe, il y a beaucoup de doutes sur ce qu’elle est. La théorie principale est qu’elle implique des choses appelées WIMPs – des particules massives interagissant faiblement.
Si tel est le cas, LUX-ZEPLIN pourrait être en mesure de les détecter. Nous voulons trouver « où les mauviettes peuvent se cacher », a déclaré Lippincott.
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