Depuis les années 30 avec le travail de Zwicky sur la détermination de la masse des amas de galaxies, les cosmologistes ont été amenés à supposer l'existence de grandes quantités de matière non encore observée : la matière noire. Si les expériences B

Matière noire

Les mesures récentes concernant le rayonnement fossile, les supernovæ lointaines, les grandes structures de l'Univers et la nucléosynthèse primordiale conduisent à la conclusion que la densité de l'Univers est égale à la densité critique qui correspond à une géométrie euclidienne. La matière constitue 27 % de cette densité, dont 4 correspondent aux baryons ; le reste est sous une forme non baryonique encore non identifiée. Deux tiers seulement de ces baryons ont pu être répertoriés dans les étoiles ou dans les gaz, le reste demeurant invisible. Or dans notre galaxie, comme dans la plupart des galaxies spirales, la répartition des vitesses de rotation des étoiles et amas au-delà du disque galactique impose l'existence d'un important halo de matière noire, dont la masse serait près de 10 fois supérieure à celle de la matière lumineuse. Extrapolée à l'ensemble des galaxies, la masse des halos est du même ordre que la masse totale des baryons de l'Univers, ce qui permet de supposer que la matière noire baryonique est localisée dans les halos des galaxies.

Depuis 1996, grâce à un télescope affecté au projet et installé sur le site de La Silla au Chili, l'expérience Eros2 recherche les signatures de l'effet de microlentille gravitationnelle qui indiqueraient le passage de corps massifs du halo de notre galaxie devant les étoiles des Nuages de Magellan. Le faible nombre de candidats retenus a conduit à des limites sévères sur la densité de ces objets ; il est exclu qu’ils représentent plus de 20 % de la masse du halo si leur masse est comprise entre 10^-7 et 3 masses solaires (fig. 1).

L'ensemble du domaine de masse des objets compacts les plus probables (dont les naines brunes) est ainsi exclu par les recherches de microlentilles. Par ailleurs, en étudiant les populations d'objets à grand mouvement propre dans le voisinage galactique du soleil, l'expérience Eros2 a également montré que les naines blanches ne pouvaient pas non plus constituer une fraction supérieure à 10% de la masse du halo. Au passage, Eros2 a vérifié que le taux de microlentilles mesuré dans le disque de notre galaxie – dû à ses étoiles faibles et non à de la matière noire – est compatible avec les modèles les plus simples de la Galaxie. Ce bon accord renforce la confiance dans les résultats obtenus par cette technique des microlentilles. Ces trois analyses ont été entièrement menées au Dapnia.
Au vu de ces résultats, la recherche de matière noire galactique sous forme non baryonique prend tout son sens, notamment la recherche directe des wimps, particules massives interagissant faiblement avec la matière. Le neutralino, la plus légère des particules prévues par les modèles supersymétriques, est un candidat privilégié au statut de wimp. Située au Laboratoire souterrain de Modane, Edelweiss est la première expérience à tester les modèles supersymétriques prédisant les sections efficaces d'interaction les plus grandes pour des masses de neutralino autour de 100 GeV et compatibles avec les résultats des recherches menées auprès d’accélérateur. Exploitant un système de double détection (ionisation et chaleur) sur trois détecteurs de germanium ultra-pur de 320 g chacun fonctionnant à la température de 20 mK, Edelweiss parvient à rejeter 99,9 % du bruit de fond radioactif. Edelweiss obtient ainsi les meilleures contraintes mondiales, excluant en particulier l’existence d’un wimp d'une masse 60 GeV/c² annoncée par l'expérience italienne Dama (fig. 2). Dans les années à venir, la sensibilité d'Edelweiss devrait encore s'accroître avec l'utilisation de plus de 100 détecteurs. La responsabilité de la fabrication des détecteurs, des développements de l’électronique numérique et celle de porte-parole de l'expérience reviennent au Dapnia.

La détection indirecte de matière noire accumulée au centre de la Galaxie ou du Soleil sous forme de neutralinos est au programme d’Antares. Cette expérience détectera des neutrinos grâce à un réseau de capteurs, déployé à plus de 2000 m sous la surface de la mer au large de Toulon. Antares pourrait en effet détecter les neutrinos émis lors de l'annihilation de ces neutralinos. Le Dapnia prend une part active à la conception et à la fabrication du détecteur, ainsi qu'à la mise en place des analyses.

Cosmologie : détermination du contenu énergétique de l'Univers

Ces dernières années, les expériences de recherche de supernovæ thermonucléaires lointaines ont mis en évidence l'accélération de l'expansion de l'Univers. La présence de matière ne pouvant que décélérer l'expansion, ce résultat impose donc l’existence d'une nouvelle composante, appelée énergie sombre, dont la nature est encore inconnue. Les expériences de recherche de supernovæ et celles consacrées aux mesures des anisotropies du fond diffus cosmologique indiquent toutes que l’énergie sombre participe pour une fraction d’environ 70% à la densité totale de l’Univers (fig. 3).
L'expérience Eros a contribué à ces résultats en consacrant une part de son temps d'observation à la recherche de supernovæ de décalage spectral z de l'ordre de 0,2. En 2003, la caméra à grand champ Mégacam, entièrement conçue et réalisée au Dapnia, a été installée au foyer du télescope franco-canadien de Hawaï. Ceci a permis le démarrage de l'expérience SNLS destinée à la recherche de supernovæ jusqu'à des z de l’ordre de 1. SNLS répond à la nécessité d’obtenir un nombre important d’observations de supernovæ et de mieux contrôler les erreurs systématiques afin de vérifier les surprenants résultats des expériences de première génération. Après une année de prise de données, SNLS a d'ores et déjà découvert plus d'une cinquantaine de supernovæ à grand décalage spectral, ce qui double déjà la statistique mondiale. Le Dapnia y contribue par l'amélioration de la chaîne de détection et l'analyse des données.
Les mesures du fond cosmologique ont obtenu un beau succès en 2002 avec les résultats d’Archéops. Cette expérience en ballon stratosphérique a permis de valider le concept d’un instrument capable d’observer les hautes fréquences du rayonnement fossile, instrument destiné au satellite Planck dont le lancement est prévu pour 2007. Archéops a établi le premier spectre de puissance des fluctuations du fond diffus couvrant avec le même instrument à la fois les corrélations à grande échelle angulaire vues par le satellite Cobe et celles aux plus petites échelles, jusqu'à 12 minutes d'arc. Ce résultat a permis d’améliorer sensiblement l’estimation de certains paramètres de la cosmologie. Le Dapnia contribue également au projet d’expérience en ballon Olimpo qui prévoit de mesurer le même spectre de puissance à des échelles bien inférieures encore, ceci afin de détecter les perturbations dues à la présence d'amas de galaxies (effet Sunyaev-Zel'dovich). Menées conjointement aux analyses des observations dans le domaine des rayons X (avec XMM en particulier), ces études permettront la détermination de la constante de Hubble indépendamment de l'échelle classique des distances. De plus, l’observation par Planck des composantes du fond diffus selon différentes polarisations permettra de procéder à la mesure de paramètres aujourd'hui inaccessibles sans cette technique. Ces programmes permettront la détermination des paramètres cosmologiques avec une précision de l’ordre du pour cent. L'expertise reconnue du Dapnia dans l'électronique à bas bruit lui offre une place de choix dans les développements techniques pour Olimpo et Planck.