Dans le domaine de la recherche sur la matière noire, comme dans un magasin de porcelaine, il y a un éléphant: une affirmation difficile à croire, impossible à confirmer et étonnamment difficile à expliquer. Mais maintenant, nous avons quatre instruments avec le même type de détecteur que la collaboration qui détient cette revendication controversée. Au cours des trois prochaines années, ces expériences confirmeront l'existence de la matière noire ou infirmeront une fois pour toutes cette affirmation, disent les physiciens qui y travaillent.
«Tout fonctionnera», déclare Frank Kalaprice de l'Université de Princeton dans le New Jersey, qui dirige l'une des expériences.
L'annonce initiale a été faite par la collaboration DAMA, dont le détecteur est situé dans un laboratoire profondément sous la chaîne de montagnes du Gran Sasso à l'est de Rome. Il y a plus de dix ans, elle a fourni des preuves étonnantes de la matière noire, une substance invisible censée lier les galaxies entre elles par son attraction gravitationnelle. Le premier des nouveaux détecteurs commencera à fonctionner en Corée du Sud dans quelques semaines seulement. Le reste sera lancé dans les prochaines années en Espagne, en Australie et au Gran Sasso. Tous utiliseront des cristaux d'iodure de sodium pour rechercher de la matière noire, ce qu'aucune expérience à grande échelle n'a fait, à l'exception du DAMA.
Les scientifiques sont très confiants dans l'existence de la matière noire et dans le fait qu'elle est au moins cinq fois plus grande que la matière normale. Mais sa nature reste mystérieuse. L'hypothèse principale est qu'au moins une partie de sa masse est constituée de particules à faible interaction (WIMP) qui doivent occasionnellement entrer en collision avec des noyaux atomiques sur Terre.
Les cristaux d'iodure de sodium devraient émettre un flash lumineux si cela se produit dans le détecteur. Alors que la radioactivité naturelle produit également de telles torches, la DAMA a annoncé la découverte de WIMP en 1998, citant le fait que le nombre de torches produites par jour fluctuait avec les saisons.
C'est ce à quoi on pourrait s'attendre si le signal est généré par des WIMP qui se répandent sur Terre alors que le système solaire se déplace à travers le halo de matière noire de la Voie lactée. Dans ce cas, le nombre de particules traversant la Terre devrait culminer lorsque le mouvement orbital de la planète s'aligne sur le mouvement du Soleil, début juin, et diminuer lorsque le mouvement va à l'encontre du Soleil, début décembre.
Mais il y a un gros problème. «Si c'était vraiment de la matière noire, de nombreuses autres expériences l'auraient déjà vue», explique Thomas Schwetz-Mangold, physicien théoricien à l'Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne - et personne ne l'a encore vue. Mais en même temps, toutes les tentatives pour trouver des faiblesses dans l'expérience DAMA, y compris les effets environnementaux, que les scientifiques n'ont pas pris en compte, n'ont pas abouti. «Il y a un signal de modulation», explique Kaijuan Ni de l'Université de Californie à San Diego, qui travaille sur l'expérience de matière noire XENON1T. "Mais comment interpréter ce signal - en faveur de la matière noire ou autre chose - n'est pas clair."
Aucune autre expérience à grande échelle n'a utilisé de l'iodure de sodium dans son détecteur, bien que le KIMS en Corée du Sud ait utilisé de l'iodure de césium. Ainsi, il reste la possibilité que la matière noire interagisse avec le sodium différemment des autres éléments. «Jusqu'à ce que quelqu'un déclenche un détecteur sur le même élément qui a laissé l'indication, vous ne pouvez être sûr de rien», explique Juan Collar de l'Université de Chicago dans l'Illinois, qui a travaillé sur plusieurs expériences sur la matière noire.
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Beaucoup ont rencontré la difficulté de faire croître des cristaux d'iodure de sodium avec la pureté requise. La contamination par le potassium, qui a un isotope radioactif naturel, se démarque également.
Mais trois équipes de scientifiques - KIMS, DM-Ice de l'Université Yale à New Haven et ANAIS de l'Université de Saragosse en Espagne - ont réussi à obtenir des cristaux avec un niveau de radioactivité de fond deux fois inférieur à celui du DAMA. C'est assez propre pour tester ses résultats, disent les scientifiques.
Des scientifiques du KIMS et de DM-Ice ont construit un détecteur d'iodure de sodium en collaboration avec le laboratoire souterrain de Yangyang, à 160 kilomètres à l'est de Séoul. L'outil utilise un capteur de «veto actif» qui distinguera mieux la matière noire du bruit de fond que le DAMA, explique Yengduk Kim, directeur du Centre sud-coréen de physique souterraine de Daejeon, qui gère KIMS.
ANAIS construit un détecteur similaire au laboratoire souterrain de Canfranc dans les Pyrénées espagnoles. Ensemble, KIMS, DM-Ice et ANAIS transporteront plus de 200 kilogrammes d'iodure de sodium et échangeront des données. Par rapport aux 250 kilogrammes de DAMA, les scientifiques s'attendent à capturer un nombre similaire de WIMP. Et tandis que les nouveaux détecteurs auront des niveaux de bruit de fond plus élevés, ils pourront soit simuler soit reproduire le signal DAMA le plus fort, explique Reina Maruyama de l'Université de Yale, qui dirige DM-Ice.
Mais Kalapris soutient qu'une grande pureté est plus importante que la masse. En collaboration avec ses collègues, il a développé un moyen de réduire la pollution et a annoncé en janvier la réception de cristaux plus propres que les cristaux DAMA. Il espère réduire encore le niveau de fond, à un dixième du DAMA.
Son projet SABRE (Active Background Rejection Sodium Iodide) abritera un détecteur au Gran Sasso et un autre dans le Stowell Underground Physics Laboratory, qui est en cours de construction dans une mine d'or à Victoria, en Australie. SABRE utilisera un détecteur qui sépare le signal de matière noire du bruit et pèsera environ 50 kilogrammes.
SABRE achèvera ses travaux de recherche et développement dans environ un an et commencera à construire ses détecteurs peu de temps après, dit Kalapris. Ensuite, la technologie deviendra disponible pour d'autres laboratoires - ce que DAMA n'a pas fait. Et si vous avez deux détecteurs identiques dans les hémisphères nord et sud, vous pouvez comprendre si les effets environnementaux pourraient simuler la saisonnalité de la matière noire dans les résultats DAMA - si le signal provenait de WIMP, les deux détecteurs verront des pics en même temps.
DAMA est très confiante dans ses résultats, déclare Rita Bernabei de l'Université de Rome. Elle n'est pas particulièrement enthousiasmée par le lancement prochain des détecteurs d'iodure de sodium. «Nos résultats ont été validés plusieurs fois en 14 ans, nous n'avons donc aucune raison de nous réjouir de voir ce que les autres feront», dit-elle. Si d'autres expériences ne voient pas les modulations annuelles, la collaboration décidera simplement qu'elles n'étaient pas assez sensibles.
Mais que se passe-t-il si les scientifiques du DAMA ont raison? «Au début, je ne voulais pas croire les résultats du DAMA, je ne les ai même pas pris au sérieux», explique Katherine Freese, théoricienne des astro-particules à l'Université du Michigan à Ann Arbor qui a proposé la méthode de modulation saisonnière du DAMA. Mais comme aucune autre explication de leur signal n'a été trouvée, elle a été rassurée. "Plus une personne étudie son expérience, plus elle se rend compte à quel point elle est bien faite."
Ilya Khel