Le mystère de la matière noire : Dans les coulisses de l'Univers

Cet essai au titre de polar explore l'un des domaines de la recherche où règne une grande fébrilité. Car l'espoir d'une découverte révolutionnaire est énorme, à la mesure de l'étendue de notre ignorance actuelle.

Un seul chiffre peut résumer ce fait : la matière noire, de composition inconnue, constitue 85% de la masse totale de l'univers, la matière « ordinaire » se cantonne aux 15% restant, dont 1% occupé par les étoiles (systèmes planétaires inclus) et 14% par des gaz dilués dans les espaces galactiques et intergalactiques. Si on prend en compte l'énergie sombre, autre grand mystère de l'univers qui reste à élucider, le bilan énergétique devient, à la louche : 70% d'énergie sombre, 25% de matière noire, et seulement 5% de matière ordinaire.

La matière ordinaire correspond en gros à tout ce qui visible, connu, expliqué par le modèle standard. La découverte du boson de Higgs en 2012 au CERN a été en quelque sorte la pose de la clé de voute du modèle standard, de la dernière pièce nécessaire achevant et consolidant l'ensemble de l'édifice. C'est dire si la tentation est grande aujourd'hui de théoriser et de découvrir les constituants exotiques composant la matière noire, de nature à dépasser ou faire évoluer le modèle standard.

Gianfranco Bertone, chercheur au CNRS, tente de faire le bilan des recherches et des découvertes en cours (enfin… plutôt des recherches que des découvertes).

Sans trop vouloir s'avancer et comme pour assurer ses arrières, Bertone n'hésite pas à faire appel au chat de Confucius et au chien de Sherlock Holmes. « – Y a-t-il un point sur lequel vous souhaiteriez attirer mon attention ? – Sur l'incident curieux du chien durant la nuit. – le chien n'a rien fait du tout durant la nuit. – C'est ça, l'incident curieux, remarqua Sherlock Holmes. » Et plus loin, selon Confucius : « Il est difficile de chercher un chat noir dans une pièce sombre, surtout lorsqu'il n'y a pas de chat. » On est pris d'un doute, là…

Notons que l'auteur ne manque pas d'humour dans ses métaphores et ses références, afin de rendre plus léger un sujet théorique ardu. Mais l'absence de découvertes officielles (telles que celles, récentes à l'échelle des projets menés, du boson de Higgs ou des ondes gravitationnelles) laisse immanquablement une impression d'inachevé générant une certaine frustration.

Tout au plus (et l'auteur ne s'en prive pas) est-il possible de décrire les expérimentations en cours et les espoirs qu'elles suscitent. Après un bref rappel historique sur l'émergence du concept de matière noire, solution toute faite permettant d'expliquer la « masse manquante », Bertone introduit les différentes stratégies de recherche possibles :
1. la recherche directe des WIMP's (weakly interactive massive particles) dans les grands accélérateurs et détecteurs souterrains (LHC, Jinping, Gran Sasso, Modane), illustrée par les programmes de recherche tels que DAMA, CRESST, CMDS, Xenon100, EDELWEISS… ;
2. la détection indirecte par de puissants télescopes, embarqués ou non (Fermi, HESS, MAGIC, VERITAS), et par les expériences PAMELA (satellite russe Resurs-DK1), AMS-02 (station spatiale internationale) et IceCube (détecteur de neutrinos sous la glace du Pôle Sud) ;
et, ce qui pourrait être une stratégie tout aussi gagnante :
3. la modification des formules de calcul au sein d'une nouvelle théorie gravitationnelle qui reste à élaborer. Cette piste existe bien est bien, l'exemple le plus célèbre étant la Théorie MoND.

Aujourd'hui, aucune de ces recherches n'a permis d'obtenir des résultats concrets prouvant par l'expérience la réalité de la matière noire. L'auteur évoque même un « scénario cauchemar » où tout ceci, ne débouchant sur rien de tangible, provoquerait l'effondrement du concept. L'auteur se rassure en évoquant la fin de l'éther, non détecté par l'expérience de Michelson-Morley à la fin du XIXe siècle, qui imposa l'invariance de la vitesse de la lumière et qui fut le point de départ de la théorie de la relativité.

Signalons également la métaphore du maître-nageur d'Alerte à Malibu illustrant le principe de Fermat (la lumière emprunte le chemin le plus rapide). Richard Feyman – qui n'est pas cité – avait déjà utilisé cette métaphore dans son essai "Lumière et matière" écrit à partir de conférences données dans les années 80.

Beaucoup d'autres exemples et d'illustrations « non scientifiques » viennent ponctuer le propos. Ici, un billet de banque irakien ; là, une carte médiévale ; plus loin, une vieille locomotive rouillée taguée d'une équation d'Einstein et croupissant dans un cimetière ferroviaire bolivien. Ceci pourra sans doute plaire aux quelques poètes et philosophes qui s'aventureraient dans la lecture de cet essai, mais l'impression qui subsiste est celle d'une dispersion des idées, de digressions proposées au lecteur comme pour noyer le poisson et masquer la faiblesse du contenu voire la réflexion peu aboutie.

Les lecteurs à la sensibilité plus scientifique préfèreront donc de loin à cet ouvrage l'excellent livre de Françoise Combes La matière noire, clé de l'univers ? à la fois plus clair, plus précis, plus rigoureux, mieux étayé et mieux documenté (que je suis en train de lire, à la suite de celui-ci).

Je suis entré dans cet ouvrage habité d'un certain scepticisme.
J'en suis resté à l'idée que le modèle standard de la physique des particules et la théorie du Big-Bang expliquent et mesurent les observations et les expériences avec une précision qui rend jaloux les hommes et femmes qui jouent dans d'autres secteurs de la science (j'en sais quelque chose). Et voilà que l'on vient me dire que ces modèles si précis loupent carrément plus des ¾ de la masse de l'univers. Que cette matière soit là ou non ne change rien aux prédictions et aux observations. Vous avouerez que c'est fort de café !
Mais il semble avéré que cette masse existe. Il faut donc faire avec sans démolir le bâti si solide. Une gageure !

Gianfranco Bertone nous présente de manière claire, en s'aidant d'analogies de la vie courante parfois inattendues, les éléments qui conduisent à penser que cette masse est composée d'une matière différente de celle qui nous constitue, nous, les chiens, le soleil et la galaxie visible à côté. Une matière omniprésente, pullulante, et qui nous snobe, qui interagit très peu avec les atomes de matière « ordinaire », mais qui constitue le décor sur lequel les acteurs vedettes font leur show.

L'auteur nous parle des théories susceptibles de prédire de quoi est faite cette matière et semble prendre parti pour la supersymétrie et une particule très massive : le neutralino. Il nous présente ensuite les méthodes mises en oeuvre par les chercheurs du monde entier pour découvrir cette particule pour de vrai : dans les accélérateurs de particules immenses, en filtrant le rayonnement cosmique depuis le fond de la terre, en repérant des effets cosmiques secondaires.

Il termine en nous disant qu'on espère des réponses pour… en ce moment. Peut-être y-a-t-il eu du nouveau depuis l'écriture du livre d'ailleurs. Mais à la fin du livre il ne peut que croiser les doigts et nous dire quelles seraient les conséquences si rien n'était trouvé de conforme à la théorie (pas la fin du monde mais il faudrait revoir beaucoup de choses dans nos connaissances) ou si celle-ci était confirmée partiellement ou totalement.

J'ai dit que la présentation était claire… en fait oui et non. Au milieu d'une description détaillée, Gianfranco Bertone a la fâcheuse habitude de venir nous asséner des concepts ou des informations qu'il doit considérer comme annexes mais qui ont souvent allumé des tas de points d'interrogation d'alerte dans ma tête. Il glisse sur des idées qui auraient mérité plus de détails à mon avis, et font que je trouve ce livre très incomplet.

J'aurais aimé comprendre quelles étaient les interactions que la matière ordinaire devait avoir avec les partenaires supersymétriques qui constituent la matière noire (en théorie). Les superpartenaires ont-ils un comportement de bosons ? Sont-ils pour certains médiateurs de force ?
J'aurais aimé savoir pourquoi le boson de Higgs, qui « donne » leur masse aux particules, ne paraît pas être un médiateur de force entre deux autres objets contrairement à tous les autres bosons.
J'aurais aimé comprendre pourquoi la matière noire qui interagit si peu avec la matière ordinaire peut se retrouver bloquée au centre du soleil et être annihilée (alors qu'on nous a expliqué que le neutralino est dans un état de plus basse énergie, donc stable, et ne peut pas se décomposer en autre chose).
J'aurais aimé savoir ce que viens faire l'Énergie Sombre là-dedans, qui n'est évoquée qu'une fois pour nous dire qu'elle compose de nos jours 72% de la densité de l'Univers ; rien que ça !

Au final j'ai appris pas mal de chose sur cette supposée matière noire mais j'en ressors avec plus de questions que de réponses, ce qu'on peut considérer comme le comportement d'un esprit sain (je me jette des fleurs).
Alors si vous avez des noms de bouquins qui pourraient compléter le schéma, je vous en vouerai une éternelle reconnaissance.
(au secours Eric75 !!!)

« Il est difficile de chercher un chat noir dans une pièce sombre… Surtout lorsqu'il n'y a pas de chat ». Ce vieil adage, attribué à Confucius, résume bien la lecture de ce livre.

Matière noire, énergie sombre… Ces deux termes inondent les ouvrages de vulgarisation récents consacrés à l'astrophysique. Les avancées dans la compréhension des origines de l'Univers ouvrent en effet plus de portes qu'elles n'en ferment. La théorie du Big-bang semble confortée à chaque nouvelle avancée dans les découvertes expérimentales mais grand nombre de questions demeurent. Ainsi, les diverses mesures des vitesses des objets célestes conduisent à la conclusion que les masses des galaxies sont sous-estimées d'un facteur dix ou même davantage, dans le cadre de la théorie de la gravitation newtonienne.

Pour tenter de répondre à ce genre de questions, deux possibilités : soit on considère que les lois de Newton ne sont pas partout valables dans l'Univers. Soit on imagine une masse inconnue capable de modifier le mouvement des objets stellaire. D'où le concept de matière noire, très peu visible donc quasiment non détectable, mais présente en très grand nombre (80% de la masse totale tout de même selon certains modèles).

G. Bertone nous raconte sous forme d'une enquête policière, les récentes tentatives expérimentales pour déceler cette matière sombre. Il nous explique avec passion, dans un style alerte et simple, comment des millions d'euros sont investis dans des dispositifs ingénieux (telle que l'expérience IceCube au pôle Sud, piège à neutrinos grandiose et prometteur) pour tenter de démontrer l'existence d'une telle matière mystérieuse.

Ceci dit, à la fin du 19ème siècle, le bons sens scientifique stipulait l'existence de l'éther, substance plus ou moins mystique où baignaient tous les objets de l'Univers. le vide ne pouvait exister, et la vitesse de tout corps devait être forcément une vitesse relative par rapport à cet éther (comme la vitesse d'un bateau par rapport à l'écoulement d'une rivière). de multiples expériences concernant la lumière par rapport à l'éther échouèrent à montrer une variation de sa vitesse. Il fallut qu'Einstein change les paradigmes de façon radicale, bannissant définitivement la notion d'éther de la pensée scientifique. La matière noire sera-t-elle l'éther du XXIème siècle ?

l'auteur essaie de percer le mystère de la matière noire et nous renseigne sur les differentes méthodes pour y arriver et l'avancée des physiciens à la detecter!!