Des physiciens de l'université Texas A&M développent des détecteurs ultrasensibles pour percer la nature de la matière noire et de l'énergie noire, qui représentent 95 % de l'univers. Dirigés par le Dr Rupak Mahapatra, ces efforts visent à détecter de rares interactions de particules survenant peu fréquemment. Ce travail, mis en avant dans Applied Physics Letters, s'appuie sur des décennies de recherches sur les énigmes cosmiques.
La composition de l'univers reste largement mystérieuse, ne comportant que 5 % de matière ordinaire visible aux télescopes et instruments. Les 95 % restants sont dominés par la matière noire, qui représente environ 27 % et façonne la structure des galaxies par des effets gravitationnels, et l'énergie noire, qui constitue 68 % et accélère l'expansion du cosmos. Ni l'une ni l'autre n'émet, n'absorbe ni ne réfléchit la lumière, rendant la détection directe complexe ; les scientifiques infèrent donc leur présence à partir d'influences gravitationnelles sur les mouvements galactiques et les structures à grande échelle. Le Dr Rupak Mahapatra, physicien des particules expérimental à l'université Texas A&M, compare les connaissances actuelles à « essayer de décrire un éléphant en ne touchant que sa queue. Nous sentons quelque chose de massif et complexe, mais nous n'en saisissons qu'une infime partie ». Son équipe conçoit des détecteurs à semi-conducteurs avancés équipés de capteurs quantiques cryogéniques pour capter des signaux insaisissables de particules de matière noire. Ces instruments doivent détecter des interactions si faibles qu'elles pourraient n'advenir qu'une fois par an, voire par décennie. « Le défi, c'est que la matière noire interagit si faiblement que nous avons besoin de détecteurs capables de voir des événements qui pourraient se produire une fois par an, ou même par décennie », a expliqué Mahapatra. Le groupe de Mahapatra contribue à l'expérience TESSERACT, une chasse mondiale à la matière noire axée sur l'amplification des signaux au milieu du bruit. Sur plus de 25 ans, il a fait progresser le projet SuperCDMS, dont une avancée en 2014 publiée dans Physical Review Letters permettant la détection de particules massives faiblement interactives de faible masse (WIMPs), candidates principales à la matière noire. Ces particules hypothétiques interagissent par gravité et force nucléaire faible, traversant souvent la Terre sans être détectées, nécessitant des capteurs ultra-froids proches du zéro absolu pour de rares collisions avec la matière ordinaire. Une étude de 2022 coécrite par Mahapatra a exploré des stratégies combinées comme la détection directe, les méthodes indirectes et les recherches dans les collisionneurs pour les WIMPs. « Aucune expérience unique ne nous donnera toutes les réponses », a-t-il noté. « Nous avons besoin d'une synergie entre différentes méthodes pour reconstituer l'image complète ». Détecter la matière noire pourrait révolutionner la physique, révélant des lois fondamentales et inspirant des technologies inattendues. « Si nous parvenons à détecter la matière noire, nous ouvrirons un nouveau chapitre en physique », a déclaré Mahapatra.