Le vide et le silence, on a tendance à confondre les deux. Pourtant, l’espace intersidéral, ce fameux vide cosmique, n’a rien d’un lieu tranquille : il est traversé en permanence par un déluge de particules à haute énergie, les rayons cosmiques, qui percutent notre planète sans discontinuer. À la surface de la Terre, ce vacarme invisible est partout, et il pose un problème redoutable à quiconque cherche à détecter un signal minuscule, quasiment imperceptible. Car pour espérer capter la trace d’une particule de matière noire, cette substance mystérieuse qui composerait la majeure partie de la masse de l’univers, il faut d’abord faire taire cet environnement bruyant. C’est précisément la mission que s’est donnée un laboratoire niché au cœur d’une mine britannique en activité, quelque part entre les falaises du North Yorkshire et les landes battues par les vents de la mer du Nord.

Sous plus d’un kilomètre de roche, dans les entrailles de la mine de Boulby, exploitée sans relâche depuis la fin des années 1960 pour en extraire de la polyhalite, un appareil doit rester plus calme que le vide lui-même pour espérer, un jour, capter le passage d’une seule particule par an. Un objectif qui semble presque dérisoire, jusqu’à ce qu’on comprenne l’ampleur du défi technique et scientifique qui se cache derrière.

La roche comme bouclier : pourquoi la surface est un enfer pour les physiciens

À l’air libre, impossible d’échapper au bombardement continu des rayons cosmiques. Ces particules, issues d’événements astrophysiques violents, traversent l’atmosphère et viennent frapper tout ce qui se trouve à la surface, y compris les instruments scientifiques les plus sensibles. Pour un détecteur cherchant à repérer un signal infime, ce bruit de fond permanent est un cauchemar : il noie littéralement l’information recherchée sous une avalanche de faux signaux.

C’est là que la géologie devient une alliée précieuse. Le site du laboratoire souterrain de Boulby, situé entre les villes de Saltburn et de Whitby sur la côte nord-est de l’Angleterre, bénéficie d’une protection naturelle exceptionnelle. Plus de 1 100 mètres de roche surplombent l’installation, réduisant le taux de rayons cosmiques d’un facteur environ un million par rapport à la surface. Autrement dit, la montagne de sel et de polyhalite fait office d’écran géant, filtrant l’essentiel du rayonnement parasite avant qu’il n’atteigne les instruments. Cerise sur le gâteau : la roche salée environnante est elle-même très pauvre en radioactivité naturelle, ce qui en fait un terrain idéal pour tout projet scientifique nécessitant un bruit de fond le plus faible possible.

Une particule par an : la chasse la plus patiente de la physique moderne

Voilà bien l’un des paradoxes les plus fascinants de la physique contemporaine : construire des instruments d’une sophistication extrême, pour… ne rien détecter la plupart du temps. Si la matière noire existe sous la forme de particules capables d’interagir, même très faiblement, avec la matière ordinaire, les théoriciens estiment que ces interactions seraient exceptionnellement rares. On parle parfois d’une poignée d’événements par an, voire moins, à l’échelle d’un détecteur.

C’est précisément pour maximiser les chances de capter cette aiguille dans une botte de foin cosmique qu’un consortium d’universités britanniques développe actuellement un nouveau détecteur géant sur le site de Boulby. Le projet prendra la forme d’un immense thermos souterrain, contenant jusqu’à 100 tonnes de xénon liquide, un matériau particulièrement sensible aux interactions recherchées. Ce programme bénéficie d’un financement public de 8 millions de livres sterling accordé par UK Research and Innovation, et rassemble des chercheurs de plusieurs institutions, dont l’université de Sheffield. L’ambition ne se limite d’ailleurs pas à ce seul détecteur : Boulby est également pressenti pour accueillir les fondations d’une future installation destinée à recevoir l’expérience internationale XLZD, même si son emplacement définitif n’a pas encore été arrêté.

Le calme absolu, un défi technique avant d’être un défi scientifique

Descendre un détecteur à plus d’un kilomètre sous terre ne suffit pas à garantir le silence recherché. Il faut aussi construire, entretenir et faire fonctionner un instrument d’une précision redoutable dans un environnement industriel, au beau milieu d’une mine encore en pleine activité. Le réseau de galeries de Boulby, exploité par ICL UK depuis 1968, s’étend en effet sur plus de 1 000 kilomètres de tunnels, un labyrinthe où se côtoient extraction minière et recherche de pointe.

Chaque composant du futur détecteur doit être choisi, testé et assemblé avec un soin extrême, car le moindre matériau légèrement radioactif, même en quantité infime, viendrait polluer les mesures et masquer le signal tant recherché. C’est un peu comme vouloir entendre chuchoter quelqu’un au fond d’une pièce silencieuse : le moindre bruit parasite, aussi discret soit-il, suffit à tout gâcher. Cette exigence explique pourquoi Boulby accueille des expériences scientifiques souterraines depuis les années 1990, les équipes ayant progressivement affiné leurs méthodes pour atteindre ce niveau de calme quasi absolu.

Ce que ces mines nous apprennent sur l’invisible qui nous entoure

Boulby n’en est pas à son coup d’essai en matière de traque de la matière noire. Pendant plus d’une décennie, le UK Dark Matter Collaboration y a mené un programme de recherche à une profondeur équivalente à 2 800 mètres d’eau, une manière de mesurer le pouvoir isolant de la roche par comparaison avec une épaisseur d’eau produisant le même effet de blindage. Cette expérience historique a posé les bases scientifiques et techniques sur lesquelles s’appuient aujourd’hui les nouveaux projets menés sur le site.

Le directeur du laboratoire, Sean Paling, résume l’enjeu de façon limpide : « Découvrir, ou même être en mesure d’exclure l’existence de la matière noire, représenterait un énorme bond en avant pour la science et transformerait notre compréhension du cosmos. » Une phrase qui rappelle que même une absence de résultat, dans ce domaine, constituerait déjà une avancée majeure, en permettant d’éliminer des hypothèses et d’orienter les recherches futures vers des pistes plus prometteuses.

Ce qui frappe, au fond, dans cette quête menée sous les landes du Yorkshire, c’est le contraste entre l’immensité de la question posée, la nature même de la matière qui compose l’univers, et la discrétion extrême du dispositif censé y répondre. Aucun grondement, aucune agitation : juste une salle silencieuse, enfouie sous une montagne de sel, où des scientifiques attendent patiemment qu’une particule invisible daigne se manifester. Une attente qui, si elle aboutit un jour, pourrait bien rebattre les cartes de notre compréhension du cosmos tout entier.