Les scientifiques sont sur le point de comprendre de quoi est constituée la majeure partie de l’univers

Les scientifiques sont proches de découvrir de quoi est réellement fait l’Univers. La matière noire et l’énergie noire constituent 95 % de l’Univers ; seuls 5 % correspondent à la « matière ordinaire », celle que nous pouvons observer.

Comprendre l’Univers

Le Dr Rupak Mahapatra, physicien expérimental des particules à l’Université Texas A&M, conçoit des détecteurs à semi-conducteurs très avancés dotés de capteurs quantiques cryogéniques. Mahapatra compare notre compréhension de l’Univers à une ancienne parabole : « C’est comme essayer de décrire un éléphant en ne touchant que sa queue. Nous percevons quelque chose de massif et de complexe, mais nous n’en saisissons qu’une infime partie ».

La matière noire et l’énergie noire portent ces noms parce que leur composition demeure inconnue. La matière noire constitue la masse des galaxies et des amas de galaxies, et façonne leur structure à grande échelle. L’énergie noire est la force qui alimente l’expansion accélérée de l’Univers. En résumé, la matière noire maintient les structures liées, tandis que l’énergie noire les éloigne les unes des autres.

Ni la matière noire ni l’énergie noire n’émettent, n’absorbent ni ne réfléchissent la lumière, ce qui rend leur observation directe impossible. L’énergie noire domine la matière noire dans l’Univers. Elle représente 68 % du contenu énergétique total de l’Univers, tandis que la matière noire n’en constitue que 27 %.

Les travaux de Mahapatra

L’équipe de Mahapatra construit des détecteurs si sensibles qu’ils peuvent capter des signaux de particules interagissant très rarement avec la matière ordinaire et susceptibles de révéler la nature de la matière noire. Toutefois, « le défi réside dans le fait que la matière noire interagit si faiblement que nous avons besoin de détecteurs capables d’enregistrer des événements pouvant se produire une fois par an, voire une fois par décennie », explique Mahapatra.

Les travaux de Mahapatra s’inscrivent dans une longue tradition de dépassement des limites de détection grâce à des recherches de pointe menées à l’échelle mondiale, notamment via sa participation à l’expérience SuperCDMS au cours des 25 dernières années. Dans un article marquant de 2014 publié dans Physical Review Letters, Mahapatra et ses collaborateurs ont introduit la détection d’ionisation calorimétrique assistée par tension dans le cadre de l’expérience SuperCDMS.

Cette avancée a permis aux chercheurs de tester les WIMP de faible masse, principales candidates à la matière noire. Les WIMP sont des particules massives à interaction faible. Cette technique a considérablement amélioré la sensibilité pour des particules qui étaient auparavant hors de portée.

En 2022, Mahapatra a été coauteur d’une étude explorant des stratégies de détection complémentaires : détection directe, détection indirecte et recherche de WIMP à l’aide de collisionneurs. Cela souligne l’approche globale et multifacette adoptée pour résoudre l’énigme de la matière noire. Mahapatra explique : « Aucun expériment ne, à lui seul, ne nous apportera toutes les réponses. Nous avons besoin d’une synergie entre différentes méthodes pour reconstituer le tableau complet ».

Comprendre la matière noire n’est pas seulement un exercice académique, c’est une clé pour décrypter les lois fondamentales de la nature. Mahapatra affirme : « Si nous parvenons à détecter la matière noire, nous ouvrirons un nouveau chapitre de la physique. Cette quête nécessite des technologies de détection extrêmement sensibles et pourrait déboucher sur des technologies que nous n’imaginons même pas aujourd’hui ».