Depuis les années 1930, les physiciens cherchent à résoudre une énigme surprenante connue sous le nom de masse manquante de l'Univers. La masse visible des étoiles et gaz interstellaires semble en effet ne former qu'une faible partie (environ 10 %) de la masse estimée des galaxies. Quelle est donc cette matière invisible qui n'émet ni n'absorbe de lumière ? Les théories supersymétriques de la physique des particules prévoient l'existence de particules massives, appelées WIMPs, excellents candidats pour cette masse manquante. Plusieurs laboratoires¹ du CNRS et du CEA participent à l'expérience EDELWEISS dédiée à la détection de ces fameux WIMPs. Son détecteur est aujourd'hui le plus sensible au monde et ses premiers résultats sont très prometteurs.

Les théories supersymétriques, qui permettent d'unifier les quatre interactions (faible, forte, électromagnétique et gravitationnelle) connues de notre Univers, prévoient aussi l'existence des WIMPs. Piégées dans le champ de notre galaxie, ces particules massives entreraient très rarement en collision avec les noyaux de la matière (quelques collisions par année et par kilogramme de matière) et seraient donc difficilement détectables. En conséquence, elles pourraient apporter une solution élégante au mystère de la masse manquante.

En raison du faible taux d'interaction attendu, le détecteur de WIMPs doit être placé dans un environnement protégé des rayons cosmiques et de très basse radioactivité. L'expérience EDELWEISS est donc actuellement installée au Laboratoire souterrain de Modane, au milieu du tunnel du Fréjus entre Modane et Bardonecchia, sous une protection rocheuse de 1 700 mètres qui permet d'atténuer le flux de muons cosmiques d'un facteur supérieur à un million. Le détecteur est en outre entouré de plomb et de paraffine pour le protéger des radioactivités gamma et neutron.

Malgré ces précautions, le "brouillard" des rayons gamma émis par la radioactivité résiduelle reste trop dense, et risque de masquer l'arrivée d'un WIMP. Le détecteur de WIMPs a donc été conçu de manière à distinguer les interactions dues à ces rayonnements de celles imputables aux WIMPs.

Ce détecteur est un bolomètre constitué d'un monocristal de germanium ultra-pur de 320 grammes porté à très basse température (environ 20 milli-Kelvin). Lorsqu'un WIMP interagit avec le monocristal, il fait reculer un des noyaux de germanium et induit simultanément :

une élévation de la température du cristal qui, mesurée par un thermomètre, fournit une impulsion dite de chaleur ;

Schéma du bolomètre.

L'énergie de recul du noyau s'obtient alors par une combinaison des signaux d'ionisation et de chaleur. On définit en outre un facteur de discrimination Q qui dépend du rapport ionisation/chaleur. Q est égal à 1 lorsqu'un gamma interagit dans le détecteur et est voisin de 0,3 lorsqu'un noyau de germanium recule sous l'impact d'une particule (un WIMP dans le cas présent), ce qui permet de distinguer les deux types d'interactions.

Les premiers résultats obtenus avec ce détecteur sont donnés sur les figures 1 et 2. La figure 1 montre un diagramme représentant la valeur du paramètre de discrimination Q, calculée pour chaque interaction, en fonction de l'énergie de recul correspondante. L'absence de points dans la zone hachurée rouge permet de conclure qu'aucun WIMP n'a interagi dans le détecteur pendant la durée de l'expérience, tous les points de la figure correspondant à des interactions dues aux rayonnements gamma. Un calcul permet d'en déduire que la probabilité d'interaction des WIMPs est inférieure à une certaine valeur.

		Figure 1 : Diagramme du paramètre de discrimination Q en fonction de l'énergie de recul. La zone d'accumulation de points autour de Q = 1 est due à l'interaction de gamma provenant du fond indésirable. La zone où doit apparaître le recul d'un noyau sous l'impact d'un WIMP se situe autour de Q = 0,3 et est hachurée en rouge. La limite en énergie de recul inférieure (environ 30 keV) est due au seuil de détection.
		Figure 2 : Diagramme d'exclusion représentant la section efficace de collision WIMP-proton en fonction de la masse du WIMP. Les limites expérimentales d'ELDELWEISS peuvent être comparées avec celles d'autres expériences.

La figure 2 donne la section efficace d'interaction (grandeur liée à la probabilité d'interaction) d'un WIMP avec le détecteur, en fonction de la masse supposée du WIMP. La courbe en gras a été calculée à partir des résultats précédents : elle délimite une région grisée où aucun WIMP n'a été détecté. Cela signifie que si les WIMPs existent, leur section efficace est nécessairement inférieure aux valeurs données par cette courbe. Le contour fermé au centre correspond quant à lui à la zone où l'expérience sino-italienne DAMA (DArk MAtter) pense avoir trouvé quelques WIMPs, un résultat en désaccord avec celui de l'expérience américaine CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) qui exclut une large fraction de cette zone.

Mais plus une expérience dure longtemps sans que soient mises en évidence d'interactions de WIMPs, plus la section efficace qu'il est possible de leur attribuer est faible et plus la courbe noire est basse. En augmentant le temps de comptage des interactions, c'est-à-dire en sondant les domaines situés en dessous de cette courbe noire, EDELWEISS devrait donc très prochainement pouvoir départager ces deux équipes.

À ce stade, on peut penser qu'il suffira de prolonger l'expérience suffisamment longtemps pour arriver dans la zone hachurée de la figure 2 où les modèles supersymétriques (MSSM) prévoient la présence de WIMPs. Mais cela n'est pas si simple. Dans la pratique, il faudra en effet augmenter la masse des détecteurs. Ce sera l'objectif de la prochaine expérience, EDELWEISS II, qui utilisera pour cela une centaine de détecteurs semblables à celui d'EDELWEISS.

Les résultats obtenus après la mise en œuvre d'EDELWEISS II, et ceux d'autres équipes internationales traquant les WIMPs par des techniques différentes, devraient permettre d'apporter des éléments de réponse sur la nature de la matière cachée.

Pour en savoir plus, consulter le serveur : http://edelweiss.in2p3.fr

¹ Dont :