Matière noire : les physiciens passent à l’axion

En bleu, la répartition de la matière noire autour de l’amas de galaxies MACS J0416.1-2403. © Nasa/ESA/D. Harvey/R. Massey
Lassés de plusieurs décennies de recherches vaines, certains physiciens délaissent les particules hypothétiques nommées « wimps » pour une autre forme possible de matière noire : les axions. Une expérience américaine vient d’atteindre la sensibilité requise pour les détecter.

L’heure des axions est venue ! Les physiciens de l’expérience ADMX, à l’université de Washington, en sont persuadés. Le 9 avril 2018, après trente années de recherche et développement, Andrew Sonnenschein et ses collègues ont annoncé qu’ils venaient enfin d’atteindre la sensibilité requise pour démarrer vraiment la chasse à ces particules d’un genre nouveau. Imaginés en 1977 pour résoudre un épineux problème de la physique des particules, les axions sont les plus sérieux concurrents des fameuses wimps dans la course à la matière noire — ce fluide invisible qui baigne tout l’Univers et qui pourrait constituer 85% de sa matière.

Comme les wimps (pour Weakly Interacting Massive Particules, particules massives interagissant faiblement) que physiciens et astrophysiciens traquent dans l’espace et dans leurs laboratoires depuis des décennies, les axions pourraient rendre compte de la présence d’une masse invisible dans les galaxies et les amas de galaxies. Comme elles, ils pourraient expliquer la structuration de l’Univers en filaments et en superamas. Comme elles, ils interagiraient très peu avec la matière. Et comme elles, ce sont encore des particules hypothétiques…

Le miracle des wimps n’a pas eu lieu

Hasard du calendrier ou sens aigu de la communication, l’annonce des chercheurs d’ADMX (Axion Dark Matter Experiment) arrive au terme d’un début d’année particulièrement riche sur le front des wimps. Mais pas forcément dans le bon sens du terme...

Le 1er mars 2018, une équipe américaine annonçait avoir détecté la signature des premières étoiles dans le rayonnement de l’Univers, 180 millions d’années après le big bang. Une signature un peu différente de celle attendue, révélant notamment un Univers plus froid que prévu pour cette époque... « Si on prend ces données au sérieux — et pour l’instant, rien n’indique une erreur quelconque —, alors il y a un vrai problème avec le modèle actuel de la matière noire », explique Benoît Famaey, de l’observatoire de Strasbourg. En effet, les wimps ne peuvent pas rendre compte de ces observations, sauf à en modifier les propriétés — par exemple, en leur donnant une infime charge électrique. Or, s’autoriser ce genre de modification revient à ouvrir la boîte de Pandore, et à ajouter des hypothèses aux hypothèses... Au risque de se perdre, d’ailleurs, puisque par exemple « le modèle de wimp modifié qui a été publié le 1er mars en même temps que les observations, pour les expliquer, est déjà obsolète ! On s’est rendu compte qu’il perturbait la nucléosynthèse primordiale et, du coup, n’était pas en accord avec l’abondance des éléments dans l’Univers », poursuit le chercheur.

NGC 1052-DF2, une galaxie sans matière noire. © Nasa/ESA and P. van Dokkum (Yale Univ.)

Quelques semaines plus tard dans la revue Nature, une autre équipe affirmait avoir découvert une galaxie tout à fait exempte de matière noire, NGC 1052-DF2, dans la constellation de la Baleine. Cette anomalie n’était pas tant un problème pour le modèle des wimps que pour son principal adversaire, l’hypothèse Mond. Imaginée par le physicien israélien Moredhai Milgrom en 1983, Mond explique les bizarreries de la dynamique des galaxies et des amas de galaxies non par la présence de masse cachée (ou matière noire), mais par une modification de la loi de la gravitation. Comme cette modification est censée être systématique, une galaxie de la taille de la Voie lactée qui ne présente pas de bizarrerie, comme c’est le cas pour NGC 1052-DF2, la met en défaut... Les adversaires de Mond se sont réjouis de la découverte, qui confortait un peu plus le modèle des wimps (paradoxalement, dans un Univers rempli de matière noire, il reste envisageable d’imaginer la formation d’une galaxie qui en est privée !).

Quelques jours plus tard cependant, l’observation était battue en brèche, plusieurs astrophysiciens faisant remarquer que l’analyse attentive des données ne permettait certainement pas de conclure à une absence de matière noire. Par ricochet, cela remettait Mond en selle... « L’hypothèse Mond n’explique pas tout. Elle présente en particulier des problèmes sérieux dès lors qu’il s’agit d’expliquer l’effet de lentille gravitationnelle, ou la structure du fond diffus cosmologique observé par Planck. Mais elle fonctionne remarquablement bien pour les galaxies, et son efficacité reste à expliquer. Dans les galaxies, on pourrait se passer de matière noire et en particulier de wimps », explique Benoit Famaey.

Si l’on ajoute à cela le fait que l’expérience de détection de wimps la plus sensible à ce jour, Xenon 1T, n’a toujours rien trouvé — pas plus que le détecteur de rayons cosmiques AMS sur la station spatiale internationale, ou le gigantesque accélérateur de particules LHC du Cern —, on comprend que certains chercheurs tentent désormais d’explorer d’autres pistes. À partir des années 1980, les physiciens des particules avaient peu à peu réussi à persuader les astronomes que l’existence de « particules massives interagissant faiblement » pouvait expliquer les observations selon lesquelles il y avait plus de masse dans les galaxies et les amas de galaxies que ce que l’on peut en voir. Les astronomes s’étaient convertis à cette hypothèse après avoir échoué à trouver cette masse manquante sous la forme de petites étoiles froides, voire de nuages de gaz ou de trous noirs. « Aujourd’hui, il est clair que le miracle des wimps n’a pas eu lieu », commente Benoît Famaey. La promesse de cette hypothèse — qui réglait élégamment un problème fondamental de l’astrophysique tout en répondant à une question non moins essentielle de la physique des particules (le problème de la hiérarchie de jauge) — n’a pas été tenue...

Un nouveau départ dans la quête de la matière noire

Faute de miracle, faut-il se tourner vers d’autres saints ? « Nous cherchons les wimps depuis vingt ans, et nous n’avons rien trouvé. Maintenant, c’est le tour de l’axion », répond Andrew Sonnenschein. Les axions sont aussi des particules proposées aux astronomes par les physiciens, et leur histoire est très similaire à celle des wimps. Lorsque les physiciens Peccei et Quinn les ont imaginés en 1977, c’était pour résoudre un problème du Modèle standard de la physique de particules (« le problème CP fort »). Les axions ont ensuite été importés en astrophysique comme bon candidat à la matière noire « froide », c’est-à-dire suffisamment lente pour expliquer la formation des grandes structures de l’Univers. Mais contrairement aux wimps, les axions sont des particules très légères. Par conséquent, leur détection est beaucoup plus difficile...

Le physicien
Andrew Sonnenschein

 « Les expériences de détection directe des wimps essaient d’observer l’effet de la collision de ces particules avec des noyaux atomiques, par exemple du xénon liquide dans le cas de Xenon 1T », explique Andrew Sonnenschein. Cette technique peut fonctionner avec les wimps car elles sont supposés avoir une grande masse – 10 à 10000 fois celle du proton. En revanche, elle ne fonctionne pas pour les axions, mille milliards de fois plus légers qu’un proton. « Pour détecter un axion, il faut le soumettre à un champ magnétique intense. Sa masse est alors convertie en énergie électromagnétique en vertu de la relation E = mc2. C’est cette lumière que nous cherchons à détecter », explique le physicien.

La fréquence exacte à laquelle brillent les axions lorsqu’ils se désintègrent dépend évidemment de leur masse. Or, celle-ci n’est pas connue avec précision. « Nous pensons que le signal doit être émis vers une longueur d’onde de 10 cm, ce qui correspond au domaine micro-onde », estime Andrew Sonnenschein. L’objectif d’ADMX est donc clair : il s’agit désormais de fouiller systématiquement le domaine de fréquences possibles, à la manière d’un auditeur qui tourne le bouton de son poste pour capter sa radio préférée. Avec une différence de taille : le signal des axions est infiniment plus faible que celui de notre FM ! « Le principe de la détection des axions est connu depuis 1983, mais nous venons tout juste d’atteindre la sensibilité nécessaire pour capter cette lumière », précise Andrew Sonnenschein.

Si la matière noire est faite d’axions, ADMX pourrait donc la détecter. Mais quand ? Demain, si les physiciens sont très chanceux. Mais si la nature est retorse et décide de n’abattre ses cartes qu’à la fin de la fouille systématique, ce sera « dans des décennies », prévient le physicien. Chez les chasseurs de matière noire, on ne croit plus au miracle.

L’expérience ADMX utilise un champ magnétique intense pour convertir la masse infime des axions en
lumière micro-ondes et détecter ainsi ces particules encore hypothétiques. © Rakshya Khatiwada/UW
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