En physique des particules, l’énergie ne se perd jamais. Lorsque les particules entrent en collision ou qu’elles se désintègrent, toute l’énergie qu’elles véhiculent est nécessairement conservée dans le système résultant de la collision. Une perte d’énergie indique que quelque chose est passé inaperçu. En 1930, c’est l’énergie manquante observée lors des désintégrations radioactives qui a conduit Wolfgang Pauli à suggérer l’existence du neutrino, particule si insaisissable qu’elle a échappé aux détecteurs pendant un quart de siècle.

Les physiciens ont recours à des approches similaires pour la recherche d’une physique au-delà du Modèle standard. Certains indices, comme le rayonnement fossile du Big Bang, ou la façon dont les galaxies se sont formées puis agglomérées en amas, révèlent qu’environ 85 % de la matière présente dans l’Univers n’émet aucune lumière, et ne se manifeste que par la gravité. Pendant des décennies, la principale candidate au titre de particule constitutive de la matière noire était une hypothétique particule lourde, environ cent fois plus massive que le proton. Des expériences ayant recours à des détecteurs de plus en plus sensibles ont cherché à la détecter, jusque-là sans succès.

Toutefois, cette absence de signal pourrait tout simplement indiquer que la matière noire est plus légère et qu’elle interagit plus faiblement avec la matière ordinaire que ce qui était supposé dans les hypothèses retenues. Une particule de cette nature pourrait trouver sa place dans un secteur sombre plus large, secteur caché constitué de nouvelles particules et de nouvelles forces, et dont le contact avec la matière ordinaire se limiterait à une poignée d’interactions peu intenses. En de rares circonstances, ces interactions pourraient permettre à des collisions de particules ordinaires de produire des particules de matière noire.

Des particules de matière noire de ce type sont précisément ce que recherche l’expérience NA64 depuis une dizaine d’années. Cette expérience est située dans la partie Nord du CERN, où des protons à 400 GeV, provenant du Synchrotron à protons, sont envoyés sur une cible en béryllium. En touchant la cible, les protons produisent un jet de particules secondaires, qui sont alors triées, produisant différents faisceaux. On peut alors sélectionner le faisceau voulu et l’acheminer jusqu’à NA64. Avant que les particules n’atteignent le détecteur, l’énergie de chaque particule est mesurée avec précision. Si l’énergie enregistrée après l’interaction est inférieure à celle de la particule incidente, cela signifie que l’énergie manquante a été emportée par quelque chose que le détecteur ne peut pas percevoir : par exemple une particule de matière noire.

Pendant la plus grande partie de l’expérience, les électrons ont joué le rôle de sondes, et aucune perte d’énergie ne pouvant être expliquée par des processus physiques connus n’a été repérée. Toutefois, les mesures ont fixé une limite supérieure concernant la force du couplage entre le secteur sombre et la matière ordinaire, qui correspond à la fréquence à laquelle les particules de matière noire auraient dû être produites. Pour certains des candidats les plus légers, aucune autre expérience n’a repoussé cette limite. Aujourd’hui, le programme n’utilise plus seulement les électrons pour tester différents modèles de matière noire, mais également les positons (les partenaires d’antimatière des électrons), les muons (cousins plus lourds de l’électron) et des hadrons.

Étant donné que les particules de matière noire ne seraient produites que très rarement, le prochain objectif de ce programme est d’augmenter le nombre de collisions. Durant le troisième long arrêt du complexe d’accélérateurs du CERN, la collaboration NA64 améliorera ses équipements pour utiliser des faisceaux plus intenses, et également pour faire en sorte qu’aucune énergie ordinaire ne s’échappe sans être vue par le détecteur, produisant ainsi un faux signal. Le volume de données devrait alors augmenter dans des proportions allant jusqu’à deux ordres de grandeur, ce qui devrait suffire pour tester toute une gamme de scénarios à propos de la matière noire légère.

Pour en savoir plus, voir l’article intitulé « Ten years at the missing-energy frontier », paru dans le numéro du CERN Courier dédié aux mois juillet/août.