Le détecteur de matière noire le plus puissant au monde livre ses premiers résultats

LUX-ZEPLIN (LZ) désigne une expérience de physique réunissant près de 250 scientifiques issus de 35 instituts aux États-Unis, au Royaume-Uni, au Portugal et en Corée. Elle est située à environ 1,6 kilomètre sous terre, au Sanford Underground Research Facility, dans le Dakota du Sud. Il s’agit d’une expérience de détection de matière noire de deuxième génération. Ce détecteur, considéré aujourd’hui comme le plus sensible au monde, a présenté il y a quelques jours ses premiers résultats scientifiques.

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La matière noire est un type de matière hypothétique qui constituerait près de 27% de la densité d’énergie de notre univers ; elle serait donc beaucoup plus abondante que la matière ordinaire. Son existence se manifeste essentiellement par des effets gravitationnels au sein des galaxies ou des amas de galaxies ; elle est également à l’origine de fluctuations observées dans le rayonnement du fond diffus cosmologique. Pourtant, malgré plusieurs décennies de recherche, les particules de matière noire demeurent insaisissables et leur nature reste par conséquent un mystère.

Une chose est sûre, elles interagissent très peu avec la matière ordinaire, c’est pourquoi elles sont si difficiles à détecter. Les scientifiques tentent néanmoins de construire des détecteurs de plus en plus sensibles. Le détecteur LZ combine les technologies les plus performantes de deux expériences précédentes : LUX (Large Underground Xenon) et ZEPLIN (ZonEd Proportional scintillation in LIquid Noble gas). Celles-ci n’ont pas été en mesure de mettre en évidence la matière noire, mais leur sensibilité extrême a toutefois permis d’exclure plusieurs hypothèses. Le LZ a été conçu pour améliorer encore cette sensibilité, d’un facteur de 50 ou plus.

Un détecteur isolé de tout rayonnement parasite

L’expérience LUX-ZEPLIN est dirigée par le Lawrence Berkeley National Lab. Après plusieurs années de conception et de construction, l’équipe s’est livrée à une série de tests pendant plus de trois mois : elle affirme aujourd’hui que ce détecteur est le plus sensible du monde. Si la matière noire est effectivement constituée de particules massives à faible interaction (WIMP) — telles que le suggère la théorie — le LZ pourrait probablement réaliser une première détection dans les années à venir. « L’équipe du LZ a maintenant en main l’instrument le plus ambitieux pour y parvenir », a déclaré Nathalie Palanque-Delabrouille, directrice de la division physique du Berkeley Lab.

Schéma du détecteur LZ montrant le détecteur au xénon central à l’intérieur du cryostat en titane, les réservoirs en acrylique du détecteur externe contenant un scintillateur liquide, le tout dans un réservoir d’eau ultra-pure. © Imperial College London

L’installation se compose de deux réservoirs en titane imbriqués, remplis de 10 tonnes de xénon liquide très pur et observés par deux réseaux de tubes photomultiplicateurs (PMT) — des détecteurs de photons très sensibles. Les réservoirs sont en outre plongés dans une cuve d’eau purifiée et sont nichés profondément sous terre, de manière à les préserver du rayonnement cosmique, ou tout autre rayonnement « parasite » qui pourrait masquer les signaux de matière noire. Même si les particules de matière noire n’interagissent que très peu avec la matière baryonique, on suppose que la probabilité d’une interaction n’est pas nulle : il se pourrait qu’une particule entre en collision avec un atome de xénon.

Or, le xénon liquide émet un flash lumineux lorsqu’il est frappé par une particule — un éclair de lumière qui serait immédiatement enregistré par les PMT. Une WIMP devrait en théorie produire le même effet : les chercheurs enregistreraient alors un premier signal dû à ce photon de scintillation. En outre, l’atome impacté devrait à son tour entrer en collision avec les atomes voisins, éjectant au passage des électrons. Ces électrons seraient alors dirigés jusqu’à la surface du liquide par un champ électrique ; arrivés à la surface où ils rencontreraient une fine couche de xénon gazeux, ils produiraient une nouvelle scintillation.

Le meilleur espoir de détecter la matière noire

Chaque collision provoquera ainsi deux signaux lumineux successifs, détectés par les PMT ultra sensibles situés tout autour du détecteur ; l’analyse de leurs propriétés permettra de caractériser l’interaction, notamment son emplacement exact et le type de particule impliquée.

En trois mois de tests, l’équipe n’a pas pu réunir suffisamment de données pour détecter de la matière noire. Néanmoins, ces expériences préalables permettent d’affirmer avec certitude que ce dispositif est le plus sensible jamais construit. Il est désormais prêt à entrer en action et il est fort possible qu’il apporte dans les mois ou les années à venir les premières preuves de l’existence de cette matière exotique. « Nous prévoyons de collecter environ 20 fois plus de données dans les années à venir, donc nous ne faisons que commencer. Il y a beaucoup de science à faire et c’est très excitant », a déclaré Hugh Lippincott, le porte-parole de la collaboration LZ.

C’est une première victoire pour les scientifiques qui ont travaillé sur ce projet : l’installation est très complexe et ils constatent aujourd’hui que l’ensemble de ces composants fonctionnent parfaitement bien. « Compte tenu du fait que nous ne l’avons mis en marche qu’il y a quelques mois et pendant les restrictions liées à la COVID-19, c’est impressionnant que nous ayons déjà des résultats aussi significatifs », souligne Aaron Manalaysay du Berkeley Lab, coordinateur de la physique du LZ.

Après la confirmation du bon fonctionnement de LZ et de ses systèmes, l’équipe se réjouit de commencer les observations à grande échelle, dans l’espoir qu’une particule de matière noire entre en collision avec un atome de xénon très bientôt. Et peut-être percerons-nous enfin le mystère de la « matière manquante » de l’Univers.

Source : Collaboration LUX-ZEPLIN

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