Matière noire : donnez votre corps à la science !

Et si la matière noire était constituée de particules ultradenses ? © O. Hodasava/C&E
Vous n’avez pas encore été transpercé par une particule de matière noire macroscopique ? Si elle existe, c’est donc qu’elle fait plus de 50 kg ! Tel est le résultat d’une étude très sérieuse qui considère le corps humain comme… un détecteur de matière noire.

Plus la matière noire échappe aux observations, plus le doute s’installe quant à son existence. Aussi, tous les moyens sont bons pour la débusquer. Dans deux études, une équipe de l’université Case Western Reserve (Cleveland) propose de traquer des particules de matière noire macroscopiques, très petites mais suffisamment massives pour avoir un effet visible sur la matière, que ce soit la roche ou le corps humain. Et plus précisément… pour y faire des trous !

Si la détection sur la roche reste à examiner, celle avec le corps humain est en revanche testée tous les jours par sept milliards d’individus. Bonne nouvelle (sauf pour la détection de matière noire) : personne ne semble avoir succombé, perforé par des particules de matière exotique. Sinon « Mort pour la science » serait une épitaphe amplement méritée. Mais que nous apprend cette absence d’accident par la matière noire ?

Matière noire macroscopique

L’idée d’une matière invisible dans l’Univers apparaît en 1933, suggérée par l’astronome suisse Fritz Zwicky. En observant les galaxies de l’amas de Coma, il réalise que leur ballet ne correspond pas aux masses observées, comme si la gravitation d’une matière invisible perturbait leur danse. Bien qu’à l’origine de nombreuses découvertes, les idées parfois farfelues de Zwicky (comme altérer la trajectoire du Soleil pour le diriger vers Alpha du Centaure) font qu’il peine à convaincre.

La matière noire attendra quarante ans pour être redécouverte par l’astronome américaine Véra Rubin. Dans les années 1970, l’étrange mouvement d’étoiles dans notre galaxie la fera conclure, elle aussi, à l’existence d’une matière noire. Mais depuis… la nature de celle-ci reste inconnue ! Ce n’est pas faute d’avoir essayé de la déterminer. Dans les années 1990, on l’a cherchée sous la forme de trous noirs, d’étoiles à neutrons, de naines brunes, bref d’astres qui émettent peu ou pas de lumière. Mais ceux-ci ne révéleront pas suffisamment nombreux pour expliquer toute la matière noire.

L’amas de Coma regroupe un millier de galaxies, dont les mouvements semblent pertubés par une masse invisible, ou matière noire. © Nasa/JPL-Caltech

Les astronomes ont alors cherché des particules interagissant peu avec la matière. Ces fameuses wimps auraient été créées dans les premiers instants de l’Univers et, elles aussi, ont été cherchées partout. De l’accélérateur géant du CERN à la station spatiale internationale en passant par des détecteurs dans de profondes mines, toujours rien !

Mais il ne faut pas désespérer. Si des objets très grands ou des particules très petites ne marchent pas, essayons entre les deux. C’est l’idée d’une matière noire macroscopique, proposée par le physicien américain Edward Witten en 1984. De quoi s’agit-il ? Dans l’Univers primordial, des particules de matière ordinaire appelées quarks et dont certains types constituent les protons dans le noyau des atomes, se seraient agrégés en des macro-objets. Leur taille possible irait de 10-15 à 108 cm et leur masse de 10-7 à 1023 grammes.

C’est d’ailleurs cet intervalle de masses relativement important pour des particules qui ferait qu’elles seraient rares et ainsi difficilement détectables. Elles entrent donc dans la famille de la matière noire ! Quant à leur densité, elle pourrait être aussi grande que celle du noyau des atomes, soit environ 3,6.1014 g/cm³. Entre la particule ordinaire et le trou noir, autant dire que la macroparticule ratisse large ! C’est là qu’interviennent les travaux de Jagjit Singh Sidhu.

Devenez un détecteur de matière noire

On peut caractériser ces macroparticules par leur masse et leur section efficace — c’est-à-dire leur probabilité d’entrer en interaction avec la matière ordinaire, essentiellement du fait de leur taille. Diverses méthodes ont déjà permis de réduire l’éventail de leur diversité. Ainsi, le rayonnement de fond cosmologique, cette première lumière à s’être propagée librement dans l’Univers, élimine un large pan de ces deux paramètres en constatant l’absence d’une quelconque interaction entre des photons et des macroparticules. Tandis que l’observation de microlentilles gravitationnelles a permis de conclure à l’absence de macroparticules de matière noire de plus de 1024 g. Cela laisse encore quelques marges de progrès.

Pour mieux contraindre masse et section efficace d’éventuelles macroparticules de matière noire, Jagjit Singh Sidhu (université Case Western Reserve) a alors imaginé de chercher les trous qu’elles laisseraient dans la roche en la traversant. Se faisant, elles la vaporiseraient sur leur trajectoire et la feraient fondre autour. Puis en refroidissant, la roche se resolidifierait en un matériau différent de la roche initiale. Dans un morceau de granite, un tel passage formerait un long cylindre d’une matière semblable à l’obsidienne (une roche sombre) et visible à l’œil nu. Il ne reste plus alors qu’à chercher de petites ellipses sombres sur les deux faces d’une dalle de granite, indiquant qu’elle a été transpercée par de la matière noire.

« Des traces de passages de particules avaient déjà été recherchées dans les années 1980 dans des micas de plusieurs millions d'années. Rien n'avait été trouvé ce qui permet de conclure que des macroparticules de matière noire devrait faire plus de 55 g », note Glenn Starkman, de l’université Case Western Reserve.

Couper les montagnes en tranches

Allons-nous devoir découper des montagnes en tranches ? En fait, l’industrie le fait déjà, par exemple pour fabriquer des plans de travail de cuisine. Ne reste plus qu’à avoir de la chance, et il en faudra. Plus la masse d’une macroparticule sera faible, plus elle sera abondante, mais plus petit sera le trou qu’elle fera dans la roche. De plus, il y aura d’autant plus de chance de trouver un trou que la roche sera vieille.

Les chercheurs ont ainsi calculé que, pour un granite âgé de 500 millions d’années, des macroparticules de 100 à 1000 g creuseraient des cylindres de 0,1 cm² de diamètre (une macroparticule de matière noire est très dense, et donc même si elle fait 1 kg, elle est minuscule !) qui auraient de bonnes chances d’être découverts sur des plaques de 10 m². Par contre, des macroparticules de 104 à 106 g creuseraient des trous de 10 cm² de diamètre mais, plus rares, nécessiteraient d’examiner des plaque de granite de 1000 m². « Nous comptons rechercher de telles traces cet automne », annonce Glenn Starkman. Vous pouvez, vous aussi, essayer sur votre plan de cuisine…

Cette première idée de Jagjit Singh Sidhu a tout de suite inspiré Robert Scherrer, de l'université de Vanderbilt. « Je me suis dit, si des microparticules font cela au granite, que se passerait-il pour le corps humain ! » Et nous voici propulsés au rang de détecteurs de matière noire. « J’ai fait un calcul rapide pour savoir si elles pouvaient frapper suffisamment d’humains pour que cela ait pu être remarqué et avec Glenn et Jagjit, nous avons décidé d’écrire un article. »

Attaque au sabre laser

L’idée avait déjà été exploitée pour les wimps, dont on avait conclu à l’innocuité. Il n’en serait pas de même pour des macroparticules de matière noire. En fonction de leur masse et de leur section efficace, certaines pourraient causer des dommages ressemblant à des blessures par balle. Mais contrairement à une balle, elles chaufferaient le tissu humain à une température de 10 millions de degrés, tel un cylindre de plasma traversant le corps. On serait peut-être finalement plus proche d’un coup de sabre laser ! L’énergie minimale nécessaire pour une telle blessure serait de 100 joules (celle d’un calibre 22 d’après les chercheurs).

Supposant qu’une macroparticule devrait traverser environ 10 cm d’un corps, qu’un humain a une surface de 1 m² ou encore que 800 millions d’entre eux (en gros l’Amérique du Nord et l’Europe) n’ont pas été blessé de cette manière, les chercheurs en déduisent une zone d’exclusion pour les propriétés d’une macroparticule de matière noire. Entre autres, sa rareté correspondrait à une masse plus grande que 50 kg !

Ainsi, la traque pour la matière noire continue dans la roche, dans notre peau et toujours dans le ciel. « Jagjit est en train de vérifier si des détecteurs de particules de très haute énergie, comme l’observatoire Pierre Auger, ne pourraient pas être légèrement modifiés pour repérer des traces de macroparticules dans l'atmosphère », explique Glenn Starkman. Peut-être qu’un lecteur passera à la postérité après s’être fait traverser par une macropaticule de matière noire de plus de 50 kg, penché avec une loupe sur son plan de cuisine en granit. On imagine déjà la perplexité de la police pendant que les cosmologistes sabreront le champagne.

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