Selon l’Univers que nous voyons à travers nos télescopes, nous devons conclure que nous ne comprenons pas comment la gravité agit au-delà de notre système solaire. Les étoiles se déplacent autour de leurs galaxies plus rapidement qu’elles ne le devraient ; les galaxies se déplacent si rapidement au sein de leurs amas qu’elles devraient s’échapper dans l’espace intergalactique ; les rayons lumineux qui traversent des régions à forte densité de galaxies se courbent plus que ce que prévoit la relativité générale.

Nous ne semblons pas mieux comprendre l’histoire de l’Univers : après les premiers instants, il y a apparemment beaucoup plus de deutérium primordial et moins d’hélium-4 que ce à quoi nous devrions nous attendre, étant donné la quantité de matière que nous observons ; les fluctuations de température du fond diffus cosmologique, formé au moment où les atomes sont apparus, montrent des surdensités de matière insuffisantes pour produire les galaxies que nous observons actuellement. De plus, les structures à grande échelle que nous pouvons voir, notamment les filaments formés par des millions de galaxies et les grands vides, ne peuvent être reproduites dans nos simulations informatiques, en supposant la quantité de matière baryonique (c’est-à-dire les protons et les neutrons) observée dans l’Univers primordial. Et pour finir, nous ne pouvons même pas donner un sens à la séquence de formation des structures : l’ordre que nous prédisons (étoiles d’abord, puis galaxies, amas de galaxies, superamas, et enfin filaments) ne peut pas être reproduit à partir du fond diffus cosmologique.

Comme nous venons de le dire : nous ne comprenons rien.

À moins que…

À moins que nous supposions qu’il existe un autre type de matière que la matière baryonique, un type de matière qui n’interagit pratiquement ni avec les baryons ni avec la lumière. Cette substance hypothétique a été baptisée matière noire… il y a 84 ans déjà ! La matière noire agit comme un élixir de guérison : elle répare essentiellement tout, ou presque tout… mais au prix de l’acceptation que la seule preuve que nous avons de son existence est constituée par les effets gravitationnels que nous venons de décrire.

Il est donc naturel que la communauté soit plutôt frénétique pour essayer de comprendre ce qu’est la matière noire. L’une des hypothèses les plus acceptées est qu’elle pourrait être composée de nouvelles particules élémentaires encore à découvrir ; parmi elles, les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) ont un fort soutien dans la communauté. Un moyen de trouver ces WIMPs est d’essayer de les produire dans les collisions à l’intérieur des accélérateurs de particules. Nous essayons également de détecter celles qui nous entourent en identifiant leurs très rares interactions avec la matière ordinaire, une méthode appelée « détection directe ». Enfin, nous recherchons également les effets qu’elles devraient produire lorsqu’elles s’accumulent à l’intérieur de grands objets astrophysiques ; dans ces environnements, la densité de matière noire est suffisante pour que les particules s’annihilent, et elles devraient produire des particules que nous pouvons effectivement détecter.

Un groupe de chercheurs de l’IFIC utilise cette dernière méthode pour rechercher la matière noire dans les données du télescope à neutrinos ANTARES. Dans un récent article publié dans la revue Physics Letters B, les scientifiques du groupe ANTARES/KM3NeT de l’IFIC ont effectué une recherche de neutrinos de haute énergie provenant du centre de la Voie lactée… et ils n’ont trouvé aucun signal. Cela leur a permis d’imposer des limites très strictes à l’annihilation des WIMP au centre de la Galaxie. Le fait qu’ANTARES soit situé dans l’hémisphère nord de la Terre, et qu’il puisse donc observer de manière optimale l’hémisphère sud céleste, où se trouve le centre galactique, rend ses résultats très compétitifs, meilleurs même que ceux de son partenaire beaucoup plus grand, le télescope à neutrinos IceCube, qui fonctionne au pôle sud, et même meilleurs -dans le régime des WIMPs très lourds- que les limites de pointe fixées par les détecteurs de rayons gamma.

Ce travail, ainsi qu’une recherche similaire dans le Soleil, était le sujet principal du travail de doctorat de Christoph Tönnis, un chercheur du programme Santiago Grisolia de la Conselleria d’Educació, Investigació, Cultura i Esport de la Generalitat Valenciana, qui était supervisé par les chercheurs de l’IFIC Juan José Hernández Rey et Juan de Dios Zornoza Gómez.