Déterminer la nature de la matière noire, la substance invisible qui constitue la majeure partie de la masse dans notre univers, est l'un des plus grands puzzles de la physique. Les nouveaux résultats du détecteur de matière noire le plus sensible au monde, Lux-Zeplin (LZ), ont réduit les possibilités de l'un des principaux candidats de la matière noire: des particules massives interagissant faiblement (WIMP).
« Bien que nous espérons toujours découvrir une nouvelle particule, il est important pour la physique des particules que nous sommes en mesure de fixer des limites sur ce que pourrait être la matière noire », a déclaré le physicien expérimental de l'UC Santa Barbara, Hugh Lippincott. Les scientifiques soupçonnent l'existence de la matière noire pendant des décennies, mais elle reste une substance mystérieuse – une qui joue néanmoins un rôle fondamental dans la structure de l'univers
LZ chasse la matière noire à partir d'une caverne de près d'un mile sous terre au Sanford Underground Research Facility (Surf) dans le Dakota du Sud. Les nouveaux résultats de l'expérience explorent les interactions plus faibles de matière noire que jamais recherchées auparavant et limitent davantage ce que les WIMP pourraient être.
Les résultats, publiés dans Lettres d'examen physiqueAnalyser 280 jours de données: un nouvel ensemble de 220 jours (collecté entre mars 2023 et avril 2024) combiné avec 60 jours antérieurs à partir de la première manche de LZ. L'expérience prévoit de collecter 1 000 jours de données avant sa fin en 2028.
La partie intérieure du détecteur LZ se compose de deux réservoirs en titane imbriqués remplis de 10 tonnes de xénon liquide pur transparent, qui est si dense qu'il crée un environnement très isolé, exempt du « bruit » du monde extérieur et parfait pour capturer les plus faibles signaux faibles qui pourraient être indicatifs d'une wimp.
L'espoir est pour une mauviette de frapper dans un noyau de xénon, le faisant bouger, un peu comme un coup d'un ballon dans un jeu de piscine. En collectant la lumière et les électrons émis lors des interactions, LZ capture des signaux de WIMP potentiels aux côtés d'autres données. Ce noyau de xénon liquide est entouré d'un détecteur externe beaucoup plus grand (OD) – des réservoirs acryliques remplis de scintillateur liquide chargé de gadolinium.
La sensibilité de LZ provient des innombrables façons dont le détecteur peut réduire les arrière-plans, les faux signaux qui peuvent se faire passer pour une interaction de matière noire. Sous-terre profonde, le détecteur est protégé des rayons cosmiques venant de l'espace.
Pour réduire les rayonnements naturels des objets quotidiens, LZ a été construit à partir de milliers de pièces ultracléennes à faible rayonnement. Le détecteur est construit comme un oignon, chaque couche bloquant le rayonnement extérieur ou le suivi des interactions des particules pour exclure les mimiques de matière noire. Et, les nouvelles techniques d'analyse sophistiquées aident à exclure les interactions de fond.
UCSB was one of the founding groups in LZ, led by UCSB physicist Harry Nelson, who hosted the first LZ meeting at UCSB in 2012. The team currently consists of faculty members Lippincott and Nelson, postdoctoral researchers Chami Amarasinghe and TJ Whitis, and graduate students Jeonghwa Kim, Makayla Trask, Lindsey Weeldreyer, and Jordan Thomas.
Les autres contributeurs au résultat comprennent le doctorat récent. Le récipiendaire Jack Bargemann, maintenant chercheur postdoctoral au Pacific Northwest National Laboratory et ancien chercheur de premier cycle; Tarun Advaith Kumar, maintenant étudiant diplômé au Perimeter Institute. Le coordinateur de la physique pour le résultat a été Scott Haselschwardt, qui a reçu son doctorat. de l'UCSB en 2018 et est maintenant professeur adjoint à l'Université du Michigan.
Les neutrons, les particules subatomiques qui existent dans chaque hydrogène de sauvegarde d'atomes, sont parmi les facteurs de confusion les plus courants des signaux WIMP. Nelson et UCSB ont mené la conception du détecteur extérieur de LZ, le composant critique qui permet à la collaboration d'exclure ces particules et de permettre une véritable découverte.
« La chose délicate à propos des neutrons est qu'ils interagissent également avec les noyaux de xénon, dégageant un signal identique à ce que nous attendons des WIMP », a déclaré Trask. « L'OD est excellent pour détecter les neutrons et confirme une détection de WIMP en n'ayant aucune réponse. » La présence d'une impulsion dans l'OD peut opposer son veto à un candidat par ailleurs parfait pour une détection de WIMP.
Le radon est également une imitation de Wimp, pour laquelle les scientifiques doivent être vigilants. « Le radon subit une séquence particulière de désintégrations, dont certaines pourraient être confondues avec les WIMP », a déclaré Bargemann. « L'une des choses que nous avons pu faire dans cette course était de rechercher l'ensemble de désintégrations du détecteur pour identifier le radon et éviter de les confondre pour les WIMP. »
Pour permettre un résultat solide et éliminer les préjugés inconscients, la collaboration LZ a appliqué une technique appelée « Salting », qui ajoute de faux signaux de mauviette pendant la collecte de données. En camouflant les données réelles jusqu'à ce que « n'étant pas défini » à la toute fin, les chercheurs peuvent éviter les biais inconscients et ne pas interpréter ou changer trop leur analyse.
« Nous repoussons la frontière dans un régime où les gens n'ont jamais cherché de matière noire », a déclaré Haselschwardt. « Il y a une tendance humaine à vouloir voir des modèles dans les données, donc c'est vraiment important lorsque vous entrez ce nouveau régime dans lequel aucun biais ne se promène. Si vous faites une découverte, vous voulez bien faire les choses. »
Avec ces résultats, le domaine des possibilités de ce que les WIMP peuvent être ont radicalement rétréci, permettant à tous les scientifiques de rechercher des matières noires pour mieux concentrer leurs recherches et rejeter des modèles incorrects sur le fonctionnement de l'univers. C'est un long jeu, avec plus de collecte de données à l'avenir et qui fera plus que d'accélérer la recherche de matière noire.
« Notre expérience est également sensible aux événements rares avec des racines dans divers domaines de la physique », a déclaré Amarasinghe. « Certains exemples sont les neutrinos solaires, les désintégrations fascinantes de certains isotopes du xénon, et même d'autres types de matière noire. Avec l'intensité de ce résultat derrière nous, je suis très excité de passer plus de temps sur ces recherches. »
« Le département de la physique de l'UCSB a une longue histoire de conception de recherches de matière noire, à commencer par l'un des premiers résultats publiés d'une recherche en 1988 », a déclaré Nelson. Les anciens membres du corps professoral incluent David Caldwell (maintenant décédé), et Michael Witherell, maintenant directeur du Lawrence Berkeley Laboratory. David Hale (maintenant à la retraite) a été le pionnier de nombreuses techniques de suppression de faux signaux de matière noire qui sont maintenant utilisés dans le domaine des recherches de matière noire.
« L'UCSB, par le biais du département de physique, du College of Letters and Science, de l'administration et par des dons privés, a fortement soutenu l'effort de matière noire pendant des décennies et a apporté une contribution substantielle à LZ. »
LZ est une collaboration d'environ 250 scientifiques de 38 institutions aux États-Unis, au Royaume-Uni, au Portugal, en Suisse, en Corée du Sud et en Australie; Une grande partie de la construction, de l'exploitation et de l'analyse de l'expérience des records est réalisée par des chercheurs en début de carrière.
La collaboration est déjà impatient d'analyser le prochain ensemble de données et d'utiliser de nouvelles astuces d'analyse pour rechercher une matière noire de masse encore plus basse. Les scientifiques réfléchissent également à des mises à niveau potentielles pour améliorer encore LZ et planifier un détecteur de matière noire de nouvelle génération appelée XLZD.
