Un signal, pas une découverte
L'annonce a circulé rapidement dans la communauté des astroparticules : dans une expérience souterraine, un détecteur aurait enregistré un signal compatible avec l'interaction d'une particule de matière noire avec un atome de la cible. Le quotidien suisse Le Temps résume l'ambiance d'un titre qui dit tout : une particule de la mystérieuse matière noire aurait pu être détectée… « Ou pas ».
Cette réserve n'est pas de la coquetterie journalistique. Elle traduit une règle de métier que les physiciens des particules appliquent avec une rigueur presque maniaque : un excès d'événements dans un détecteur n'est pas une découverte. C'est une anomalie. Et une anomalie, dans un domaine où l'on cherche quelques interactions par année dans une tonne de matière, a beaucoup plus de chances d'être un artefact qu'une révolution.
Pour comprendre pourquoi, il faut d'abord saisir l'ampleur du problème. La matière noire représente, selon les mesures cosmologiques les plus récentes — notamment celles du satellite Planck de l'Agence spatiale européenne —, environ 27 % du contenu énergétique de l'Univers, contre à peine 5 % pour la matière ordinaire dont nous sommes faits. On en observe les effets gravitationnels partout : la vitesse de rotation des galaxies, la formation des grandes structures, les lentilles gravitationnelles. Mais personne, en un demi-siècle de chasse, n'a jamais mis la main sur une seule de ses particules.
Ce que « détecter » veut dire, techniquement
Dans le jargon, on parle de « significativité statistique », mesurée en écarts-types, ou sigma. Un excès à 2 sigma signifie qu'il y a environ une chance sur 20 que le hasard seul produise un tel résultat. À 3 sigma, on parle d'une « indication ». Le seuil conventionnel pour annoncer une découverte en physique des particules est de 5 sigma : environ une chance sur 3,5 million que ce soit un accident du hasard. C'est ce seuil que les équipes du CERN ont franchi en juillet 2012 avant d'annoncer le boson de Higgs.
Mais 5 sigma ne suffit même pas. Il faut aussi que l'anomalie survive à deux épreuves. La première : l'élimination systématique des bruits de fond. Dans un détecteur de matière noire, la radioactivité résiduelle des matériaux du détecteur lui-même, les neutrons produits par les rayons cosmiques, les traces de radon dans l'air, les émanations de l'uranium et du thorium contenus dans la roche environnante — tout cela peut mimer le signal recherché. La seconde épreuve : la reproduction indépendante. Une autre équipe, avec une autre technologie, dans un autre laboratoire, doit voir la même chose.
C'est précisément là que le bât blesse dans l'histoire de cette chasse.
DAMA/LIBRA : trente ans d'un signal que personne ne retrouve
Le cas d'école, c'est l'expérience DAMA/LIBRA, installée dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso, en Italie, sous 1 400 mètres de roche. Depuis les années 1990, cette collaboration observe dans ses cristaux d'iodure de sodium une modulation annuelle du taux d'événements — exactement ce qu'on attendrait si la Terre, en orbite autour du Soleil, traversait un « vent » de matière noire avec une vitesse variable selon la saison. La significativité annoncée dépasse largement le seuil de découverte.
Le problème : depuis trente ans, aucune autre expérience n'a confirmé ce résultat, et plusieurs l'ont directement contredit. Les expériences à xénon liquide — XENON, LUX, PandaX — ont exclu les régions de paramètres compatibles avec l'interprétation « matière noire » de DAMA avec des sensibilités des ordres de grandeur supérieures. Pour trancher l'affaire avec la même technologie, la collaboration ANAIS, au laboratoire souterrain de Canfranc dans les Pyrénées espagnoles, a construit un détecteur d'iodure de sodium quasi identique. Ses résultats, publiés au fil des ans, sont incompatibles avec la modulation de DAMA. Le projet SABRE, lui, prévoit un dispositif jumeau dans l'hémisphère Sud, en Australie, pour vérifier si la modulation change de phase avec les saisons — un test décisif, puisqu'un vrai signal astrophysique garderait la même phase, alors qu'un effet saisonnier terrestre s'inverserait.
Trente ans, donc, pour un signal qui n'est toujours ni confirmé ni complètement enterré. C'est l'exemple parfait de ce que la prudence coûte — et de pourquoi elle est indispensable.
XENON1T : la leçon de 2020
L'autre grand faux espoir récent est plus frais dans les mémoires. En juin 2020, la collaboration XENON1T, également au Gran Sasso, annonce un excès d'événements de faible énergie électronique. La significativité est modeste — autour de 3,5 sigma — mais l'excitation est vive : on évoque des axions solaires, un moment magnétique anormal du neutrino, voire de la matière noire exotique. Des dizaines d'articles théoriques paraissent en quelques mois pour expliquer l'anomalie.
Puis, en 2022, le détecteur successeur XENONnT, plus grand et beaucoup plus propre, publie ses premiers résultats. L'excès a disparu. L'explication la plus probable : une contamination résiduelle par du tritium, un isotope radioactif de l'hydrogène présent à des concentrations infinitésimales dans le xénon. Un bruit de fond, donc. La communauté a encaissé la nouvelle avec un mélange de déception et de soulagement méthodologique : le système avait fonctionné.
Le rôle des laboratoires souterrains — et la place du Canada
Toute cette physique dépend d'une chose : le silence. Pour voir une interaction extrêmement rare, il faut se débarrasser du déluge de rayons cosmiques qui bombarde la surface de la Terre. D'où les laboratoires souterrains, installés dans d'anciennes mines ou sous des montagnes. La mine d'or de Homestake, au Dakota du Sud — fermée en 2002 et évoquée par Le Temps —, a accueilli l'expérience de Raymond Davis sur les neutrinos solaires, couronnée par un prix Nobel; elle héberge aujourd'hui le Sanford Underground Research Facility et l'expérience LUX-ZEPLIN.
Le Canada joue dans cette ligue au plus haut niveau. SNOLAB, aménagé dans la mine Creighton de Vale à Sudbury, en Ontario, est situé à deux kilomètres sous la surface — l'un des laboratoires les plus profonds et les plus propres au monde. C'est là qu'Art McDonald et la collaboration SNO ont démontré l'oscillation des neutrinos, un travail récompensé par le prix Nobel de physique en 2015. SNOLAB abrite aujourd'hui plusieurs expériences directement pertinentes pour la matière noire, dont DEAP-3600, un détecteur à argon liquide, et PICO, qui utilise des chambres à bulles pour traquer les collisions de particules massives.
La profondeur de SNOLAB constitue un atout précis : elle réduit le flux de muons cosmiques d'un facteur d'environ 50 millions par rapport à la surface. Autrement dit, si un signal apparaît ailleurs, SNOLAB fait partie du petit club d'installations capables de le tester dans des conditions encore plus silencieuses — ou de mettre en évidence le bruit de fond que l'autre équipe aurait sous-estimé.
Pourquoi cela compte au-delà du laboratoire
On pourrait juger cette prudence excessive. Elle est en réalité l'un des rares mécanismes d'autocorrection qui fonctionnent vraiment dans la science contemporaine. Et le contraste avec d'autres champs est éclairant : la même semaine, plusieurs médias, dont Le Temps, rapportaient qu'OpenAI affirmait avoir « résolu » un problème lié aux équations de Navier-Stokes, annonce immédiatement contestée par des chercheurs évoquant un plagiat possible de leurs travaux. La physique des astroparticules, elle, a intégré depuis longtemps l'idée qu'une annonce précipitée coûte plus cher qu'un an de vérifications supplémentaires.
Il y a aussi un enjeu de fond. Depuis vingt ans, les expériences de détection directe ont réduit la sensibilité aux interactions matière noire–matière ordinaire d'environ six ordres de grandeur sans rien trouver. Cela exclut de vastes pans du modèle dominant, celui des WIMPs — ces particules massives interagissant faiblement. Les théoriciens se tournent de plus en plus vers d'autres candidats : axions, particules de matière noire légère, secteurs cachés. Les détecteurs à xénon approchent par ailleurs du « plancher de neutrinos », ce seuil où les neutrinos solaires produisent un bruit de fond irréductible.
Dans ce contexte, un signal crédible serait une nouvelle immense. Raison de plus pour ne pas se tromper. La séquence à surveiller, dans les prochains mois, est prévisible : publication complète avec l'analyse des bruits de fond, examen par les pairs, puis tentatives de reproduction dans les autres laboratoires souterrains — Gran Sasso, Canfranc, Jinping en Chine, et Sudbury.
Si l'anomalie survit à ce parcours, ce sera l'un des résultats scientifiques les plus importants du siècle. Si elle s'évapore, comme celle de XENON1T, ce sera simplement la science qui fonctionne. Dans les deux cas, la réponse ne viendra pas d'un communiqué, mais de plusieurs années de travail à deux kilomètres sous terre.