Dans les domaines de la physique et de la cosmologie, comprendre la nature de la matière noire constitue l’un des plus grands défis. Bien qu’invisible, cette matière mystérieuse est supposée représenter près de 85 % de la masse totale de l’Univers. Alors que la dernière chasse à la matière noire s’est soldée par un échec, de nouveaux résultats issus de l’expérience LUX-ZEPLIN remettent en question l’hypothèse selon laquelle elle serait constituée de particules massives à faible interaction, connues sous le nom de WIMP. Si certains experts voient cela comme un nouveau coup dur pour la recherche de matière noire, d’autres perçoivent une nouvelle opportunité.
Les WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) sont considérés comme les principaux candidats pour expliquer la matière noire, car ils n’absorbent, n’émettent, ni réfléchissent la lumière, les rendant ainsi invisibles. De plus, ils n’interagissent que très rarement avec la matière ordinaire, ce qui les rend extrêmement difficiles à détecter. Cependant, l’expérience LUX-ZEPLIN (LZ), une collaboration de plus de 250 scientifiques issus de 38 institutions et dirigée par le laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie, met à mal cette hypothèse. « Il s’agit de nouvelles contraintes mondiales majeures sur la matière noire et les WIMP », a déclaré Chamkaur Ghag, porte-parole de LZ et professeur à l’University College de Londres.
Dans sa quête pour élucider la nature de la matière noire, l’équipe internationale de chercheurs a utilisé un détecteur extrêmement sensible. Ce détecteur est constitué de deux réservoirs en titane remplis d’environ 10 tonnes de xénon liquide, un matériau dense et transparent destiné à capter les collisions potentielles avec les particules de matière noire.
L’expérience LZ a été menée à 1,5 km sous terre, au centre de recherche souterrain des Black Hills dans le Dakota du Sud. Les résultats, présentés lors de deux conférences de physique le 26 août (LIDINE 2024 à Sao Paulo et TeV Particle Astrophysics 2024 à Chicago), ont fourni des données inédites sur les WIMP.
Le principe de détection repose sur une hypothèse : si des WIMP sont présents, ils peuvent entrer en collision avec le noyau d’un atome de xénon, provoquant un faible éclat de lumière et un mouvement des atomes. Si cela se produit, les tubes photomultiplicateurs (PMT) détectent cette interaction.
En analysant 280 jours de données du LZ (220 jours collectés entre mars 2023 et avril 2024, combinés à 60 jours de données de la première exécution de LZ), les chercheurs ont affiné leur recherche en explorant des interactions de matière noire plus faibles que jamais. Cependant, la conclusion la plus marquante de Ghag est malheureusement la suivante : « Nous sommes les meilleurs au monde pour ne pas trouver de matière noire ».
En effet, l’équipe n’a trouvé aucune preuve de signaux WIMP dépassant une masse de 9 gigaélectronvolts (GeV)/c², soit environ neuf fois la masse d’un proton, légèrement inférieure à 1 GeV/c². Ces résultats suggèrent que les WIMP interagissent avec la matière à des niveaux plus faibles que ceux précédemment établis. « Si les WIMP avaient été présents dans la région que nous avons recherchée, nous aurions pu affirmer quelque chose de concret à leur sujet », a déclaré Ghag. Ces nouveaux résultats marquent également la première utilisation de la technique du « salage » par le LZ.
Le salage consiste à ajouter de faux signaux WIMP lors de la collecte de données. En les dissimulant dans les données réelles, les chercheurs peuvent éviter les biais inconscients susceptibles de modifier leur analyse avant de connaître le résultat. « Il y a une tendance humaine à vouloir voir des motifs dans les données, il est donc important de s’assurer qu’aucun préjugé ne s’y infiltre », a déclaré Scott Haselschwardt, coordinateur de la physique du LZ.
Une installation expérimentale qui n’a pas dit son dernier mot…
La première phase de l’expérience LZ a débuté en 2022. Autrement dit, elle n’en est encore qu’à ses prémices. Selon Gregory Rischbieter, chercheur au département de physique de l’Université du Michigan et coordinateur de l’analyse d’étalonnage du LZ, « ce résultat n’est obtenu qu’après analyse de 25 % de nos données. Nous devons donc absolument exploiter les 75 % restants ». D’ailleurs, l’équipe prévoit de collecter plus de 1000 jours de données supplémentaires d’ici 2028.
Les chercheurs envisagent également d’examiner d’autres processus physiques rares et intéressants, comme les désintégrations des atomes de xénon, la double désintégration bêta sans neutrinos, les neutrinos du bore-8 provenant du soleil et d’autres phénomènes au-delà du modèle standard. Ils étudient également les améliorations potentielles à apporter au LZ et envisagent de développer un détecteur de matière noire de nouvelle génération, baptisé XLZD. « Si LZ ne détecte pas de WIMP et que le détecteur de nouvelle génération, XLZD, ne le fait pas non plus, ce sera probablement la fin pour les WIMP », conclut Ghag.