Selon un modèle actuellement privilégié par les astrophysiciens, l’Univers serait constitué à 26,8 % d’un type de matière inconnu, la matière noire.
La présence de ce halo, agissant de façon gravitationnelle et sans interaction avec la lumière, entre en ligne de compte pour étayer la théorie de l’évolution de l’Univers et expliquer certains phénomènes déroutants, comme le fait que des étoiles en périphérie de notre Galaxie orbitent plus vite que celles qui sont proches de son centre, contrairement au mouvement des planètes à l’intérieur de notre Système solaire.
Même si des observations astrophysiques indirectes vont dans le sens de cette hypothèse, aucune des mystérieuses particules n’a jamais été directement détectée, et l’existence de la matière noire reste à prouver.
Pour tenter d’approcher sa réalité supposée, les scientifiques orientent désormais leurs recherches vers la détection des particules ultralégères qui pourraient la constituer, estimées entre 10-24 et 1 électron-volt (eV).
Ces particules forment des « champs scalaires » dont les oscillations sont à même de modifier la longueur des objets : détecter ces changements de longueur permettrait de prouver une interaction avec ces particules, et de déterminer leur masse.
Une ambition à laquelle peuvent répondre les outils mis au point pour la métrologie du temps et des fréquences, qui, affichant des valeurs à seize chiffres après la virgule, est la mesure la plus fine et exacte qui soit. Au département Temps-fréquence de l’Institut FEMTO-ST, Jonathan Gillot et ses collaborateurs mènent des recherches en physique fondamentale pour fabriquer des cavités en silicium d’une dizaine de centimètres, dont les moindres fluctuations de longueur, générées par des champs scalaires, sont détectées via un laser.
Les particules recherchées ici ont une masse de l’ordre de 10-10 eV, à comparer de façon vertigineuse aux 511 keV de celle d’un électron !
« Si la cavité est mise en présence de champs scalaires tels qu’en présenterait la matière noire, la taille des atomes oscille, et la longueur de la cavité change. Les fluctuations de longueur de la cavité s’impriment sur la fréquence du laser, cette dernière étant stabilisée finement sur la longueur de la cavité », explique Jonathan Gillot.
Assurer la stabilité de la fréquence du laser et réduire au minimum les « bruits » parasitant les mesures représentent plus qu’un challenge à ces dimensions infimes. Les cavités dites de Fabry-Perot, équipées de deux miroirs pour réfléchir le laser, présentent une configuration idéale pour répondre aux exigences.
Ces cavités font à FEMTO-ST l’objet de deux expérimentations scientifiques distinctes, autorisant les comparaisons. « Dans l’une, les miroirs réfléchissants sont constitués de revêtements cristallins, c’est une innovation permettant de limiter fortement les bruits thermiques habituellement émis par le couple substrat/revêtement optique, et qui sont les derniers dont nous avons à nous affranchir. »
Les cavités fonctionnent sous vide, et sont placées dans des enceintes à vide pour éviter les fluctuations de pression de l’air. Le froid règne en maître dans les dispositifs pour limiter le plus possible les fluctuations de longueur de la cavité. Des blindages thermiques, à la manière de boîtes gigognes dont la plus petite abrite la cavité, présentent des paliers de refroidissement successifs à l’intérieur d’une enceinte à vide en forme de tour.
Les chercheurs bisontins ont ainsi réussi à produire « la cavité la plus froide du monde » : elle affiche 0,5 kelvin (-272,65°C), contre 3 K au mieux dans les expériences similaires, et présente une stabilité à 10-16 , avoisinant celle des meilleurs résultats connus.
Les travaux se poursuivent, avec l’espoir de participer à lever un jour le voile sur l’énigme de la matière noire.
