Bien profondément sous les Black Hills du Dakota du Sud, des physiciens passent des années à traquer la matière noire. Cette substance demeure longtemps insaisissable à la détection, et pourtant elle serait omniprésente, représentant environ 85% de la masse de l’univers et faisant office d’échafaudage invisible qui maintient les galaxies ensemble.
Les chercheurs qui dirigent l’expérience LUX-ZEPLIN (LZ) pour la matière noire, un détecteur de particules ultra-sensible enfoui dans une mine d’or abandonnée, ont enregistré une interaction particulaire unique qui ne peut être expliquée par aucun signal de fond connu provenant de la matière ordinaire. Cet événement, décrit dans un préprint qui sera publié dans la revue Physical Review Letters, constitue sans doute le candidat le plus convaincant à ce jour pour une détection directe de la matière noire. Cependant les auteurs estiment qu’il est encore trop tôt pour tirer des conclusions définitives.
« Nous sommes très intrigués par cet événement dans les données, dans la région où nous nous attendons à ce que la matière noire fasse son apparition, et les bruits de fond concurrents sont très faibles », a déclaré dans un communiqué Rick Gaitskell, professeur de physique à l’Université Brown et porte-parole de LZ. « Avec seulement un seul événement, nous ne voulons pas nous emballer. Nous n’affirmons pas avoir vu de matière noire. Mais nous avons observé quelque chose d’intéressant que nous souhaitons partager avec la communauté scientifique pour recueillir leurs avis. »
Signal suspect
Les scientifiques soutiennent l’existence de la matière noire parce qu’aucun amas de matière observable dans l’univers connu n’arrive à expliquer certains effets gravitationnels, comme la rotation des galaxies qui se produit plus rapidement que prévu ou le fait qu’elles restent agglomérées bien plus solidement que ce que laisserait supposer leur matière visible. Ainsi, la matière noire occupe une place centrale dans le modèle standard de la cosmologie, le cadre théorique le plus simple pour décrire notre univers.
Si la matière noire existe (et les preuves indirectes la suggèrent fortement), ses particules ne vont manifestement ni absorber, ni réfléchir, ni émettre de lumière. Si tel était le cas, les chercheurs l’auraient déjà décelée par le passé. Pour comprendre de quoi est réellement faite la matière noire, il faut une détection directe, et rechercher ce qui s’en rapproche a été comparé à une quête de l’aiguille dans une meule de foin.
Pour réduire le champ des possibles, les physiciens ont imaginé plusieurs scénarios sur la nature des particules de matière noire, et l’un des candidats les plus solides est celui des particules massives interagissant très faiblement, les WIMPs. Ils estiment que ces particules théoriques interagiraient avec la gravité mais peu avec la lumière et qu’elles n’interagiraient que très rarement avec d’autres particules.
Le détecteur LZ est spécifiquement conçu pour flairer les WIMPs. Il s’agit essentiellement d’un réservoir de 10 tonnes d’helium? non… de xénon liquide ultra-pur, équipé de capteurs destinés à enregistrer une éventuelle collision entre un WIMP et un atome de xénon. Il fonctionne à près d’un mille (1,6 kilomètre) sous terre, à la Sanford Underground Research Facility (SURF) à Lead, dans le Dakota du Sud, où il est protégé des rayonnements cosmiques et d’autres sources de bruit de fond qui pourraient imiter une détection de matière noire.
Pour cette nouvelle étude, les chercheurs de LZ ont analysé 220 jours de données collectées entre mars 2023 et avril 2024. Ils avaient auparavant recherché dans cet ensemble de données des signaux ténus provenant des interactions les plus simples des WIMPs, mais cette fois ils traquaient un éventail plus large d’interactions possibles qui pourraient déposer davantage d’énergie dans le détecteur.
« Il s’agit d’une étude détaillée dans une région que nous n’avions pas explorée dans cet ensemble de données, et nous avons consacré des mois d’efforts supplémentaires pour comprendre toutes les causes potentielles des signaux de fond », a déclaré le coauteur principal Sam Eriksen, chercheur associé senior à l’Université de Bristol au Royaume‑Uni, dans le communiqué.
Le signal que Eriksen et ses collègues décrivent dans leur papier a été détecté le 16 juin 2023. S’il provenait d’une interaction matière noire-xénon, le WIMP qui l’a généré devrait peser environ 200 fois le proton. La collision semble aussi avoir été d’énergie inhabituellement élevée. Ainsi, ces résultats ont engendré un mystère au sein d’un autre mystère.
La recherche se poursuit
Si LZ a réellement détecté un événement WIMP à haute énergie selon les théories établies, celles-ci laisseraient prévoir qu’il aurait déjà observé de nombreux événements de plus faible énergie — mais ce n’est pas le cas. Cela pourrait signifier que les WIMPs interagiraient avec la matière ordinaire d’une manière que les scientifiques n’attendent pas encore, ou que ce particule particulier aurait reçu d’une manière ou d’une autre une impulsion de vitesse. Ou bien l’événement n’aurait pas été causé par un WIMP, mais résulterait d’une autre particule ou d’un processus physique non encore identifié.
Heureusement, l’équipe de LZ dispose d’un ensemble de données considérable pour poursuivre les investigations. Ce projet a déjà accumulé le plus grand corpus mondial sur la matière noire et il continuera de croître. Si des analyses futures dévoilent d’autres interactions similaires à le signal de juin 2023, deux expériences concurrentes — PandaX en Chine et XENONnT en Italie — aideront à confirmer si LZ observe bien des WIMPs, rapporte Scientific American.
Ainsi, bien que le mystère de la matière noire demeure non résolu, ces résultats ouvrent une piste intrigante et prometteuse pour les chercheurs. Peut‑être qu’un jour nous regarderons en arrière et considérerons le 16 juin 2023 comme le jour où les physiciens ont aperçu pour la première fois cette substance insaisissable — ou peut-être bien quelque chose d’encore plus étrange.
