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La recherche de la matière noire est-elle un acte de foi? – Numéro 77: Underworlds

TLe jeune physicien est assis devant son ordinateur, guettant les signaux de Cygnus. Il s’appelle Christopher Toth et sa blouse blanche est trop grande pour lui. Christopher parle avec une clarté calme. Ses manières sont modestes, gracieusement douces, et je me demande si cela vient d’une manière ou d’une autre de passer vos journées à penser à travers le temps si profondément qu’il s’étend à la naissance de l’univers.

Un ruban d’avertissement noir et jaune trace le long des murs du laboratoire, tous les 15 pieds environ, des contours de ce qui ressemble à des portes potentielles, s’élevant seulement au niveau de la cuisse. Au-dessus de chaque contour collé, une hache à long manche avec une lame de fendeuse est tenue dans deux crochets.

Le sel a un très faible rayonnement gamma. Le sel est un bon isolant. Le sel est radio-pur. Le sel est une excellente substance pour vous envelopper si vous souhaitez étudier des particules massives en interaction faible. Mais le sel est aussi très plastique. Le sel coule avec le temps. Il rampe autour. Ça s’affaisse. Si vous découpez une chambre dans une couche de halite avec 3000 pieds de substrat rocheux au-dessus, cette chambre se déformera lentement. Le plafond va plonger, les côtés vont se gonfler. Gravity veut retrouver cet espace. Les scientifiques travaillant dans le laboratoire Boulby savent donc qu’ils opèrent dans une zone temporaire, avec une durée de vie en sécurité limitée. Le temps profond doit être étudié rapidement.

«Ce sont vos issues de secours en cas de chute soudaine de la halite», dit Christopher, imitant les gestes de la main d’un agent de bord expliquant les protocoles de sécurité et pointant vers les portes marquées d’un ruban d’avertissement, «ici, ici … et ici. Si le laboratoire commence à s’effondrer, vous prenez une hache, vous frayez un chemin à travers le mur du laboratoire, puis vous frayez un chemin à travers le sel pour vous mettre en sécurité. "

Il fait une pause, sourit. "Bien, c’est la théorie, au moins."

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MARS SOUTERRAIN: Les scientifiques, concentrés sur l’exploration planétaire, mènent une expérience au laboratoire souterrain de Boulby. Le tunnel de la mine de sel a une géologie unique semblable à celle de Mars qui simule un paysage martien.Gracieuseté du laboratoire souterrain Boulby

Plusieurs types d’expériences souterraines sont actuellement en cours dans le laboratoire. On teste des échantillons de roche afin de rechercher des techniques d’enfouissement à long terme de déchets radioactifs. Un autre étudie une technologie connue sous le nom de «tomographie par les muons», qui utilise des particules chargées très pénétrantes (muons) produites par les rayons cosmiques de l’espace. En raison de leur capacité à pénétrer profondément dans la roche, les muons permettent de percevoir des structures englouties telles que l’intérieur des volcans et les cœurs creux des pyramides. Les muons offrent un moyen de voir à travers la pierre. Ce sont toutes des expériences remarquables. Mais le joyau de la couronne expérimentale du laboratoire Boulby est DRIFT.

Christopher me guide vers un gros objet situé sur l’un des côtés du laboratoire. "C’est ma boule de cristal souterraine", dit-il, épanouissant ses mains comme un magicien révélant un tour, "aussi connu sous le nom de Chambre à projection de temps".

De l’extérieur, la chambre à projection de temps magnifiquement nommée est décevante. Les sacs poubelles noirs sont soigneusement collés autour d’une grande boîte recouverte de métal.

«Je vois que les sacs poubelles constituent la couche extérieure vitale de votre boule de cristal», dis-je.

"Vous vous moquez", répond Christopher, "mais le ruban adhésif et les sacs poubelles se sont révélés essentiels à plus de percées scientifiques que vous ne l’imaginiez."

Il m’explique l’expérience. «Nous savons que la matière noire est massive. Massivement massy. Ainsi, ses particules, même si elles sont invisibles pour nous, ont une masse, et si elles ont une masse, elles doivent au moins occasionnellement entrer en collision avec des particules visibles. Ces collisions envoient la dispersion des noyaux. Notre premier objectif avec DRIFT est de détecter ces collisions et de suivre les noyaux lorsqu’ils se dispersent. "

Il fait une pause. J’attends. Des milliards de neutrinos traversent notre corps et le substrat rocheux de la Terre, son manteau, ses entrailles liquides, son noyau solide.

Cela change-t-il ce que le monde ressent? Sachant que 100 trillions de neutrinos traversent votre corps à la seconde, d’innombrables particules perforent notre cerveau et notre cœur?

«Imaginez regarder un match de billard dans lequel les boules rouges sont visibles, mais pas les blanches. Soudain, vous voyez la boule rouge – un électron – se déplacer à travers la taille. En traçant le chemin de la boule rouge, vous pourrez peut-être revenir en arrière, pour ainsi dire, sur le chemin de la boule blanche invisible – le WIMP – qui l’a frappée. Et à partir de là, vous pourrez peut-être en apprendre davantage sur la direction, la masse et les qualités de cette balle blanche. Nous cherchons à le faire suffisamment de fois et avec suffisamment de précision pour fournir la signature d’un halo de matière noire. "

Le dispositif DRIFT se trouve au cœur d’une cuve à vide en acier d’un mètre cube de volume, entrecroisée d’un réseau de fils ultra-minces et fortement chargés, espacés d’un millimètre. Si un WIMP entre en collision avec le noyau d’un atome de matière ordinaire à l’intérieur de la chambre, il crée une piste d’ionisation, que le maillage de fils intensifie et enregistre. La piste peut donc être reconstruite en trois dimensions, fournissant des informations sur le type et l’origine de la particule en collision. Les fils sont maintenus dans un gaz à basse pression, le gaz à basse pression dans une chambre conductrice, la chambre conductrice dans un blindage à neutrons en acier – et l’ensemble est maintenu dans une bande d’halite laissée par l’évaporation d’une mer antique.

J’apprendrai au cours des années à venir que de nombreuses structures de ce type, caractérisées par des protocoles de confinement multiples, caractérisent les procédures de stockage en sous-sol, à partir des pots en pierre Canopic à la tête de faucon de la sépulture égyptienne antique – dans lesquels étaient placés les organes vitaux de les morts, et qui étaient eux-mêmes enfermés dans un coffre en bois peint, lui-même enfermé dans une tombe, lui-même enfermé dans une pyramide – à la gaine concentrique de pellets d’uranium usés provenant de réacteurs nucléaires; les pastilles placées à l’intérieur de tiges de zirconium, les tiges enfermées dans un cylindre de cuivre, le cylindre de cuivre enfermé dans un cylindre de fer, le cylindre de fer enfermé dans des anneaux d’argile à la bentonite et les anneaux enfermés dans le substrat rocheux d’une installation de stockage géologique en profondeur, couler des milliers des pieds dans le gneiss, ou le granit, ou le sel.

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BOULE DE CRISTAL: Les scientifiques du laboratoire souterrain Boulby utilisent un appareil appelé DRIFT (ci-dessus), également appelé «chambre de projection temporelle», pour la détection de la matière noire. Le scientifique de Boulby, Christopher Toth, appelle cet appareil sa "boule de cristal".Gracieuseté du laboratoire souterrain Boulby

Christopher me conduit à son bureau. L’image de l’économiseur d’écran sur son ordinateur représente les eaux turquoise du lac Louise dans les Rocheuses canadiennes. Il me montre un diagramme représentant les données renvoyées par la chambre à projection temporelle. Il comporte des lignes de différentes couleurs vives, sur lesquelles une fine bande noire s’étend en angle.

«Cette ligne diagonale est le chemin d’une particule alpha», explique Christopher en le suivant avec son petit doigt. «C’est un homme corpulent et corpulent qui s’acharne sur notre expérience en faisant beaucoup de bruit. Il ne nous intéresse pas, sauf dans la mesure où identifier son signal nous aide à savoir ce que nous ne cherchons pas. "

«Ce que nous essayons d’entendre, ce sont plutôt les murmures silencieux derrière sa turbulence. Pas même des chuchotements, en fait; plutôt comme le moindre souffle – de respiration. Ici, dans le sel, c’est à peu près le seul endroit où vous pouviez entendre un tel souffle. Ce souffle est le son d’une particule massive en interaction faible qui traverse, et laisse une fine trace. Ce que nous pensons être une collision WIMP ressemble plus à deux petits bips, un sur chacun des deux canaux. ”

De son ongle, il choisit deux points: l’un sur une ligne jaune, l’autre sur le rose. Il fait une pause. Son économiseur d’écran se transforme en une image sursaturée d’une plage de sable blanc avec des palmiers, baignée par une mer de lapis-lazuli. Le vent WIMP de Cygnus souffle à travers notre corps.

«Ces données sont très belles une fois que vous vous y êtes habitué», dit-il. Je hoche la tête en accord.

Ce que nous essayons d’entendre, ce sont plutôt des murmures silencieux.

«Pour le moment, dit Christopher, vous explorez la toute petite dimension de l’univers avec une précision extrême, en regardant à la plus petite échelle possible. Ces lignes colorées sont notre loupe. "

Puis il dit – comme si la phrase venait de lui entrer dans la tête sans prévenir, marquant une trace au passage – «Tout provoque une scintillation». Il fait une pause.

"Pourquoi cherchez-vous de la matière noire?" Je demande.

"Pour approfondir nos connaissances", répond Christopher sans hésiter, "et pour donner un sens à la vie. Si nous n’explorons pas, nous ne faisons rien. Nous attendons juste. "

Il fait une nouvelle pause. J’attends. L’économiseur d’écran de son ordinateur passe à Yosemite à l’automne, avec une neige hâtive au sommet d’El Cap. Christopher ne parle pas.

"Est-ce que la recherche de la matière noire est un acte de foi?" Lui demandai-je.

Il attend que je développe, il a déjà entendu la question, il en veut plus avant de répondre. Son économiseur d’écran change pour les dunes du désert à Sossusvlei en Namibie.

Si je détectais la preuve d’une divinité, je me méfierais de cette divinité au motif qu’un dieu devrait être plus intelligent que cela.

Je pense à l’abbaye de Rievaulx, à l’ouest de Boulby, où, dans une vallée fertile, des moines cisterciens ont fondé et construit un espace où tenir la messe. Ils ont construit une structure aérée de contreforts et de plafonds voûtés en pierre de fer. Leur abbaye faisait partie d’un réseau de sites de ce type répartis dans le monde entier, dans lesquels des prières étaient adressées à une présence peu encline à se révéler aux habitués supplications.

Sur les collines au-dessus de l’abbaye, des formes géologiques connues sous le nom de «glissades de glissement» s’ouvrent et se ferment lentement dans la roche, émettant de l’air chaud du fond de la terre, de sorte que, par temps froid, la colline semble respirer – comme si la terre elle-même était vivant. Des milliers d’années avant que les Cisterciens n’arrivent dans ces vallées, les peuples du Néolithique et de l’Age du Bronze sont entrés dans l’obscurité des défilés pour effectuer des rituels qui auraient pu être sacrificiels et étaient certainement dévotionnels, entrecoupant des parties de leur corps au milieu des pierres. un autre type de produit d’annihilation.

Je me souviens du système Wind Cave dans les Black Hills, dans le Dakota du Sud, consacré aux Sioux Lakota et proche du laboratoire américain de détection de matière noire situé au fond de la mine d’or aménagée. De l’ouverture à Wind Cave, qui s’étend sur plus de 130 km sous le sol, l’air se précipite ou est aspiré avec une force telle qu’il peut retirer les chapeaux de la tête. Dans les histoires de création Lakota, c’est à partir de Wind Cave que les humains émergent pour la première fois dans le monde supérieur, où ils sont étonnés par la couleur et l’espace.

«Mon sens, dis-je à Christopher, est que la recherche de la matière noire a produit un édifice complexe et délicat de présupposés et un réseau de lieux de culte, également appelés laboratoires, tous consacrés à la recherche d’une entité universelle invisible. qui refuse de se révéler. Cela ressemble plus à ce que nous appelons la religion qu’à la science. »

«J’ai grandi en tant que chrétien très sérieux», déclare Christopher. «Ensuite, j’ai presque totalement perdu la foi lorsque j’ai découvert la physique. Maintenant, cette foi est revenue, mais sous une forme très modifiée. C’est vrai que nous, les chercheurs en matière noire, avons moins de preuves que d’autres scientifiques de ce que nous cherchons à découvrir et de ce que nous croyons savoir. Quant à Dieu? Eh bien, s’il existait une divinité, elle serait totalement séparée de la recherche scientifique et du désir humain.


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Une lettre du futur à Einstein

Nous ne croyons pas au voyage dans le temps et nous n’admirons pas le mysticisme. Mais si nous pouvions écrire une lettre à Albert Einstein pour l’informer de la gravité et des trous noirs dans quelques paragraphes? Nous écririons quelque chose comme cette lettre ….LIRE LA SUITE

Il fait une nouvelle pause. Ce n’est pas que cette pensée soit difficile pour lui – il a déjà emprunté ces chemins auparavant – mais qu’il choisit chaque mot avec soin.

"Aucune divinité dans laquelle je souhaiterais croire ne se déclarerait au moyen de ce que nous reconnaîtrions comme preuve." Il fait un geste vers la lecture des données. «S’il y a un dieu, nous ne devrions pas pouvoir le trouver. Si je détectais la preuve d’une divinité, je me méfierais de cette divinité au motif qu’un dieu devrait être plus intelligent que cela. "

"Cela change-t-il la façon dont le monde se sent?" Lui demandai-je. «Sachant que 100 trillions de neutrinos traversent votre corps toutes les secondes, d’innombrables particules de ce type perforent nos cerveaux et nos cœurs? Cela change-t-il votre perception de la matière – de ce qui compte? Etes-vous surpris de ne pas tomber à travers chaque surface de notre monde à chaque pas, de le traverser à chaque toucher? "

Christopher hoche la tête. Il pense. Son économiseur d’écran change dans les tours de calcaire de Guilin, vues au crépuscule de telle sorte qu’elles sont rétro-éclairées de manière très attrayante sur Instagram et sur d’autres plateformes de partage d’images à grande échelle.

Christopher dit: «Les week-ends, quand je sors faire un tour avec ma femme, au sommet des falaises près d’ici, par une journée ensoleillée, je sais que nos corps sont des filets à larges mailles et que les falaises Nous marchons aussi sur des filets, et parfois il semble que oui, tout aussi miraculeux que si, dans notre monde quotidien, nous nous trouvions soudainement sur l’eau ou dans l’air. Et je me demande à quoi ça doit ressembler, parfois, de ne pas le savoir.

Il fait une pause et il est clair qu’il pense maintenant au-delà des limites de la caverne de sel, au-delà même des limites connues de l’univers.

"Mais surtout, et de plusieurs manières, je suis émerveillé de pouvoir tenir la main de la personne que j’aime."

Robert Macfarlane est l’auteur de livres primés et à succès sur le paysage, la nature, les gens et les lieux, y compris Montagnes de l’esprit: une histoire de fascination (2003), Les lieux sauvages (2007), Les vieilles manières (2012), Holloway (2013, avec Stanley Donwood et Dan Richards), Repères (2015), Les mots perdus: un livre de sorts (avec l’artiste Jackie Morris, 2017) et Underland: Un voyage dans le temps profond (2019).

Reproduit de Sous terre par Robert MacFarlane. Copyright © 2019 par Robert MacFarlane. Avec la permission de l’éditeur, W.W. Norton & Company, Inc. Tous droits réservés.

Photo principale: Christopher Toth sur un site de fouille du laboratoire souterrain de Boulby. Le site héberge maintenant des détecteurs à grande échelle de matière noire, matériau insaisissable qui constitue la majeure partie de l’univers.

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