Un jour de juin 2023, les nombreux yeux électroniques fixes du détecteur LUX-ZEPLIN ont peut-être entrevu quelque chose de remarquable : peut-être la première détection directe de la matière noire obscure qui imprègne le cosmos. Ou c’était peut-être juste un autre vendredi.
Une nouvelle analyse des données de LUX-ZEPLIN, ou LZ, a révélé une interaction de particule unique cohérente avec la matière noire, ont rapporté les chercheurs le 1er septembre lors de la réunion TeV Particle Astrophysics à Tendo, au Japon, et dans un article publié sur le site Web de LZ. Mais un événement n’est pas concluant. Sans plus de données, les scientifiques ne peuvent pas être sûrs de ce dont il s’agit.
Le seul événement inattendu fait vibrer les physiciens. « C'est la chose la plus intéressante qui ait été soulevée ces derniers temps », déclare Wick Haxton, physicien théoricien de l'Université de Californie à Berkeley, qui n'a pas participé à la recherche. « Je pense donc vraiment qu'il y aura un flot de gens qui assisteront à cet événement. »
Mais les physiciens sont prudents. « Il ne s'agit que d'un seul événement. Alors, qui sait ce qui se passe réellement ici », déclare le physicien théoricien Dan Hooper de l'Université du Wisconsin-Madison. « Cela dit, c'est intriguant. »
La matière noire est une substance invisible qui n’a jamais été directement observée, malgré des décennies de recherches. Son existence est basée sur son influence gravitationnelle sur l’univers.
LZ, situé au centre de recherche souterrain de Sanford à Lead, SD, recherche une classe de matière noire appelée particules massives à faible interaction, ou WIMP, qui s'écrase sur les noyaux atomiques dans un réservoir de xénon liquide. Comme un jeu de boules de billard atomique, une telle collision enverrait un noyau de xénon s'éloigner, produisant un petit éclair de lumière et libérant des électrons que les capteurs de LZ peuvent repérer. La nouvelle analyse ciblait une version hypothétique de la matière noire qui projette le noyau à une énergie particulièrement élevée.
Après avoir passé au peigne fin 220 jours de données, « nous nous sommes retrouvés avec un événement fascinant – absolument fascinant », a déclaré Rick Gaitskell, porte-parole de LZ et physicien à l'Université Brown. D'après les meilleures évaluations des physiciens, il n'y a qu'une chance sur 100 environ pour que des particules connues produisent un tel événement, soit une signification statistique de 2,6 sigma. Trois sigma sont généralement nécessaires pour revendiquer des preuves en physique, et cinq sigma constituent la barre d'une détection.
Une analyse précédente avait examiné les mêmes données à la recherche de noyaux atomiques reculant à basse énergie, ce qui est typique des interactions WIMP. Cet effort est resté vide. Mais les particules de matière noire pourraient interagir d’une manière qui ferait reculer les noyaux atomiques avec un élan particulier.
Par exemple, les particules de matière noire pourraient avoir différents états énergétiques, un peu comme le fait un atome. La matière noire ne pourrait interagir que s'il y a suffisamment d'énergie pour la faire passer au niveau suivant, ce qui imposerait un seuil à l'énergie du noyau atomique qu'elle repousse. Pour ce type d'interaction, les événements de matière noire devraient se produire préférentiellement en été, lorsque la Terre rencontre de front le flux de matière noire de la galaxie, produisant des collisions à plus haute énergie. Cela rend un événement de juin particulièrement remarquable, déclare le physicien théoricien Neal Weiner de NYU.
Un indice de matière noire est isolé ?
LZ recherche deux signaux lumineux consécutifs pour chasser la matière noire. La relation entre les deux signaux aide les scientifiques à isoler les particules de matière noire des autres interactions. Les points de données qui se situent dans la bande d'arc sont cohérents avec des sources connues telles que les désintégrations radioactives. La fenêtre de recherche de cette analyse est indiquée par la case en pointillés. Le seul événement en haut à droite est la particule potentielle de matière noire. Le point en bas à gauche correspond à un signal 1 correspondant accidentellement à un signal 2 sans rapport.
Si l’événement est de la matière noire, ce n’en serait pas la version la plus simple possible. Mais cela ne le rend pas nécessairement moins tenable. « Ce n'est pas un signal fou », déclare le physicien théoricien Matthew Reece de l'Université Harvard. Les physiciens théoriciens n’ont pas besoin d’inventer de toutes nouvelles idées pour l’expliquer. « De ce point de vue, c'est très plausible… ce qui me rend relativement optimiste. »
Les expériences sur la matière noire ont pour habitude de susciter les espoirs des scientifiques, puis de les anéantir. Par exemple, en 2020, l’expérience XENON1T a détecté un signe possible de nouvelles particules non identifiées qui a été annulé par son successeur.
Matière noire ou non, l'analyse prouve le potentiel du LZ et d'autres expériences sur la matière noire. «Nous disposons de machines incroyables que ces équipes ont assemblées», déclare Weiner. « Et la question est : peuvent-ils les utiliser pour rechercher ces catégories plus larges de scénarios ? Et un résultat vraiment passionnant est que oui, ils le peuvent. »
Entre-temps, LZ a déjà collecté des données supplémentaires, au moins trois fois plus que celles déjà analysées par les chercheurs. Si la matière noire est réellement à l’origine de cet événement, il y en a probablement d’autres qui attendent d’être découvertes.
« Les gens ont cherché [dark matter] depuis si longtemps, et avec une frustration croissante qu'on ne l'ait pas retrouvé », dit Haxton. « Ce serait très bien si cet événement était suivi par quelques autres. »