La détection directe suppose que :

• la matière noire est composée de particules
• ces dernières interagissent avec la matière ordinaire par interaction faible.

Ce ne sont que des hypothèses mais elles s’appuient sur des arguments théoriques solides et, si tel est bien le cas, on peut espérer détecter des particules de matière noire sur Terre. Ce serait tellement fantastique que cela vaut vraiment la peine d’essayer !

Par la suite, nous appellerons WIMP, pour Weakly Interactive Massive Particles, ces particules de matière noire. Si la matière noire n’est pas composée de WIMP, on ne pourra pas l’attraper avec les instruments de détection directe.

Le principe de cette détection consiste à observer une collision élastique entre un WIMP et un noyau cible du détecteur. Il s’agit donc d’une part de mesurer l’énergie de recul du noyau pour en déduire la masse du WIMP et d’autre part de compter le nombre de ces collisions pour obtenir la section efficace (c’est-à-dire la probabilité d’interaction entre les WIMP et la matière ordinaire).

Pour mesurer l’énergie déposée par la particule de matière noire, deux mécanismes sont utilisés :

• la production de chaleur, mesurée avec un thermomètre (ultra-sensible bien sûr !)
• la collecte des électrons « arrachés » aux atomes par le noyau de recul (phénomène appelé ionisation).

Le milieu utilisé pour la détection peut être un cristal ou un gaz selon les paramètres que l’on veut optimiser.

 

Tout cela ne semble pas si compliqué ! Sauf que l’interaction des WIMP avec la matière est extrêmement faible et le nombre d’événements attendus désespérément petit. Il faut donc être extrêmement sensible et construire de grands détecteurs pour espérer attraper quelques WIMP par an.

C’est pourquoi il est indispensable de :

• limiter au maximum les particules de matière ordinaire qui traversent le détecteur : pour cela, les détecteurs sont placés sous des montagnes ou dans des mines pour les protéger du rayonnement cosmique ; les détecteurs sont aussi recouverts de plomb archéologique par exemple pour les protéger de la radioactivité naturelle de la roche ;
• utiliser des simulations pour estimer le signal produit par les quelques particules de matière ordinaire qui auront tout de même réussi à passer toutes ces barrières de protection ; ce signal ressemblera beaucoup à celui produit par des WIMP et est appelé bruit de fond ;
• développer des simulations pour comprendre les caractéristiques du signal que devraient produire les WIMP ; par exemple un signal issu de l’interaction de WIMP doit indiquer que la particule détectée provient majoritairement du centre de la Voie lactée et doit suivre une modulation annuelle.

C’est une tâche difficile : ainsi une expérience considère avoir détecté un signal et le confirme depuis une dizaine d’années alors que d’autres expériences ont exclu les WIMP avec les propriétés correspondantes.

L’enjeu est donc de taille et la concurrence internationale particulièrement rude. Il faut néanmoins garder à l’esprit que, selon les propriétés des WIMP, celles-ci interagiront différemment avec la matière. Il est donc nécessaire de tester diverses approches pour optimiser les chances de détection.

Pour l’instant, cette recherche reste infructueuse alors que les générations de détecteurs se succèdent depuis une vingtaine d’années. Ces recherches ne sont cependant pas “inutiles” : elles permettent d’exclure de plus en plus de propriétés possibles pour les WIMP. Un jour, cependant, les détecteurs seront peut-être si sensibles qu’ils permettront l’observation des neutrinos : le signal des WIMP, s’il existe, sera alors noyé, sans doute définitivement. Mais nous n’en sommes pas encore là !

Pour le moment, les physiciennes et physiciens gardent espoir et imaginent de nouveaux concepts. Ces derniers sont par exemple utilisés par l’expérience Edelweiss ou par le prototype de détecteur MIMAC, tous-deux installés dans le tunnel souterrain de Modane.