Une enquête record, utilisant un détecteur de particules situé à un kilomètre sous terre dans le Dakota du Sud, aurait pu révéler de nouvelles informations sur matière noirela substance mystérieuse censée constituer l’essentiel de la matière de l’univers.
Utilisant le plus grand ensemble de données de ce type, l’expérience – appelée LUX-ZEPLIN (LZ) – a limité les propriétés potentielles de l’un des principaux candidats à la matière noire avec une sensibilité sans précédent. La recherche n’a découvert aucune preuve de la substance mystérieuse, mais aidera les études futures à éviter les fausses détections et à mieux se concentrer sur cette partie mal comprise de l’univers.
WIMPs contre neutrinos
L’équipe avait deux objectifs pour la nouvelle étude : élucider les propriétés d’un matériau de faible masse « saveur » des particules de matière noire proposées appelées particules massives à faible interaction (WIMP), et pour voir si le détecteur pouvait détecter les neutrinos solaires – des particules subatomiques presque sans masse produites par des réactions nucléaires à l’intérieur du soleil. L’équipe soupçonnait que la signature de détection de ces particules pourrait être similaire à celle prédite par certains modèles de matière noire, mais il fallait repérer les neutrinos solaires pour en être sûr.
Avant l’expérience, qui a duré 417 jours entre mars 2023 et avril 2025, la sensibilité du détecteur a été améliorée pour rechercher des interactions rares avec des particules fondamentales. Une chambre cylindrique remplie de xénon liquide était le théâtre de l’action. Les chercheurs pourraient surveiller soit les WIMPs, soit les neutrinos entrant en collision avec le xénon, l’un ou l’autre produisant des éclairs de photons, ainsi que des électrons chargés positivement.
L’expérience a fait progresser la science à la fois pour les questions WIMP et celles sur les neutrinos. Pour les neutrinos, les chercheurs ont renforcé leur confiance dans le fait qu’un type de neutrino solaire, connu sous le nom de bore-8, interagit réellement avec le xénon. Ces connaissances aideront les futures études à éviter les fausses détections de matière noire.
Les découvertes en physique doivent généralement atteindre un niveau de confiance appelé « 5 sigma » pour être considérées comme valides. Le nouveau travail a atteint 4,5 sigma, soit une amélioration considérable par rapport aux résultats inférieurs à 3 sigma rapportés dans deux détecteurs l’année dernière. Et cela est particulièrement remarquable étant donné que les détections de bore-8 n’ont lieu qu’environ une fois par mois dans le détecteur, même lors de la surveillance de 10 tonnes de xénon, a déclaré Gaitskell.
En ce qui concerne la question de la matière noire, cependant, les chercheurs n’ont rien trouvé de définitif sur les types de WIMP de faible masse qu’ils recherchaient. Les scientifiques l’auraient su s’ils l’avaient vu, a déclaré l’équipe ; si une mauviette frappe le cœur d’une molécule de xénon, l’énergie de la collision crée une signature distinctive, comme le prédisent les modèles.
« Si vous prenez un noyau, il est possible que la matière noire entre et se disperse simultanément à partir de l’ensemble du noyau et le fasse reculer », a expliqué Gaitskell. « C’est ce qu’on appelle une diffusion cohérente. Elle a une signature particulière dans le xénon. Ce sont donc ces reculs nucléaires cohérents que nous recherchons. »
L’équipe n’a pas détecté cette signature dans son expérience.
Doubler la course
Une autre opération, plus longue, débutera en 2028, lorsque le détecteur devrait collecter des résultats pendant une durée record de 1 000 jours. Des analyses plus longues donnent aux chercheurs une meilleure chance de détecter des événements rares.
Le détecteur recherchera non seulement davantage d’interactions de neutrinos solaires ou de WIMP, mais également d’autres phénomènes physiques susceptibles de sortir du cadre. Modèle standard de la physique des particules censé décrire la majeure partie de l’environnement qui nous entoure.
Gaitskell a souligné que le rôle de la science est de continuer à avancer même lorsque des résultats « négatifs » surviennent.
« Une chose que j’ai apprise est qu’il ne faut jamais présumer que la nature fait les choses exactement comme vous le pensez », a déclaré Gaitskell, qui étudie la matière noire depuis plus de quatre décennies.
« Il existe de nombreuses (solutions) élégantes qui vous permettraient de dire : ‘C’est tellement beau. Cela doit être vrai.’ Et nous les avons testés… et il s’est avéré que la nature l’a ignoré et qu’elle ne voulait pas emprunter cette voie particulière. »
