Si un indice récent de matière noire était réel, cela réécrirait la physique. Les scientifiques tentent déjà de lire les grandes lignes de l’intrigue de cette nouvelle histoire. Cela a relancé l'intérêt pour certaines théories, notamment un concept longtemps apprécié mais de plus en plus marginalisé appelé supersymétrie.
La matière noire est imperceptiblement partout, un type de particule non identifié omniprésent dans l'univers mais évident uniquement sur la base de ses effets gravitationnels sur les galaxies et autres entités cosmiques. Le 1er septembre, des scientifiques de la collaboration LUX-ZEPLIN, ou LZ, ont annoncé qu'ils avaient vu dans leur détecteur un signal qui aurait pu être provoqué par une seule particule de matière noire – bien qu'il puisse encore s'agir d'un simple incident causé par des processus physiques connus.
Dans les semaines qui ont suivi la détection, des dizaines d'articles ont été publiés sur arXiv.org prétendant expliquer ce que LZ a vu. Un grand intérêt s’est porté sur un type théorisé de particule appelé higgsino. Si l’idée est correcte, ce serait énorme. « Si nous la découvrons, ce serait la première découverte de la supersymétrie », déclare le physicien théoricien Harikrishnan Ramani de l'Université du Delaware à Newark.
La supersymétrie propose que pour chaque particule connue, il existe une contrepartie plus lourde appelée superpartenaire. C’est une idée qui pourrait résoudre plusieurs énigmes physiques à la fois, elle a donc attiré un public dévoué de physiciens.
L’un de ces superpartenaires hypothétiques, comme le higgsino, pourrait être la matière noire. Le higgsino est le superpartenaire du boson de Higgs, une particule découverte en 2012 qui explique l'origine de la masse. « Si vous demandiez aux gens en 2000 : « Quel est votre candidat préféré en matière de matière noire ? probablement beaucoup de gens auraient déjà parlé du higgsino à l'époque », explique la physicienne théoricienne Tracy Slatyer du MIT.
Ces dernières années, la popularité de la supersymétrie a diminué, les collisionneurs de particules n'ayant pas réussi à en trouver la preuve. Mais pour expliquer l'allusion à la matière noire de LZ, un higgsino semble plausible – du moins à première vue. «C'est presque un travail efficace», dit Slatyer.
Les physiciens repèrent un signal déroutant
Le détecteur LZ, situé au centre de recherche souterrain de Sanford à Lead, SD, se compose d'un grand réservoir de xénon liquide. Le détecteur recherche la matière noire qui traverse le xénon, s'écrase dessus et envoie un noyau atomique de xénon s'éloigner. On s'attend à ce que ce soit un événement rare, puisque la matière noire interagit très faiblement avec la matière normale. Dans le cas où LZ serait découvert, le noyau reculerait avec une énergie particulièrement élevée. La plupart des types de matière noire produiraient des reculs à faible énergie en plus de ceux à haute énergie. Mais LZ n'a vu aucun recul à faible énergie.
Si la matière noire était un higgsino, cela pourrait expliquer l’absence d’événements de faible énergie. Le higgsino diffère des candidats typiques à la matière noire en ce sens qu'il aurait deux masses différentes. Une collision ne se produirait que s'il y avait suffisamment d'énergie pour faire passer le higgsino de l'état de masse le plus léger à l'état de masse le plus lourd. Cela signifie que les reculs nucléaires à faible énergie ne se produiraient pas.
Moins d'un jour après l'annonce de LZ, plusieurs articles sur arXiv ont avancé la possibilité du higgsino. « J'étais très excitée », déclare Katherine Freese, physicienne théoricienne de l'Université du Texas à Austin, co-auteur de l'un de ces articles, soumis le 1er septembre. « Premier article que j'ai écrit en 24 heures. »
Mais une enquête plus approfondie a rendu l’explication higgsino moins plausible. Par exemple, si les higgsinos existent, ils interagiraient au soleil et y seraient piégés en raison de son attraction gravitationnelle. Là, selon les concepts de supersymétrie, ils s’annihileraient et produiraient des particules de haute énergie appelées neutrinos. Ces neutrinos auraient dû être observés par un détecteur de neutrinos situé au pôle Sud, appelé IceCube, ont rapporté Ramani et un collègue le 2 septembre sur arXiv.org. Mais aucun neutrino de ce type n’a été observé.
Et il y a un autre problème potentiel. Slatyer et ses collègues ont remarqué un graphique dans une annexe à l'article de LZ qui porte sur des énergies encore plus élevées. Si LZ voyait un higgsino à l'énergie qu'ils ont signalée, ils s'attendraient à en voir encore plus à ces énergies plus élevées, a rapporté l'équipe le 3 septembre. Mais LZ n'a signalé rien qui ressemble à de la matière noire à ces énergies. Le détecteur LZ n'a pas été calibré pour ces énergies, a déclaré le porte-parole de LZ, Rick Gaitskell, physicien à l'Université Brown à Providence, RI. « Nous n'avons fait aucune déclaration formelle concernant la détection ou même la non-détection dans cette région d'événement », a écrit Gaitskell dans un message texte. Mais si les données sont prises au sérieux, cela rend l’événement de LZ encore plus difficile à expliquer avec un higgsino.
Il y a une marge de manœuvre pour les higgsinos
Compte tenu de tous ces facteurs, l’idée du higgsino est un peu exagérée. Mais il reste encore une petite marge de manœuvre. Une possibilité est que la masse du higgsino diffère de celle attendue par les physiciens théoriciens, soit environ 1 000 fois la masse d'un proton. Cette grande masse est choisie pour permettre aux higgsinos d’expliquer la quantité de matière noire observée aujourd’hui dans l’univers. Donc, le changer complique l’image, mais pourrait la faire mieux correspondre à ce que LZ a vu.
Une marge de manœuvre supplémentaire vient des vitesses possibles des particules de matière noire dans la Voie Lactée. Les particules pourraient atteindre des vitesses plus élevées que celles généralement supposées, ce qui pourrait rendre les données plus faciles à expliquer. Pour qu’un higgsino plus rapide apparaisse dans LZ, il faudrait une plus grande différence entre les deux masses de la particule. La plus grande différence d'énergie qui en résulte signifie que les higgsinos ont moins de possibilités de produire des neutrinos au soleil, ce qui explique pourquoi les expériences sur les neutrinos n'ont pas vu ces particules.
En jouant avec ces facteurs, il est toujours possible de faire fonctionner l'explication du higgsino, dit Freese. Des higgsinos avec une masse d'environ 2 000 fois celle d'un proton pourraient faire l'affaire, rapportent Freese et un co-auteur dans un article arXiv du 2 octobre. « Vue d'ensemble : nous aimons [the] Higgsino, et ce que nous faisons maintenant, c'est d'introduire les détails que nous jugeons importants », dit-elle.
Mais s'il ne s'agit pas du higgsino, « il s'agit peut-être d'une autre particule présentant les mêmes caractéristiques fondamentales », explique le physicien théoricien Dan Hooper de l'Université du Wisconsin-Madison. De telles particules ne seraient pas soumises aux contraintes imposées par la supersymétrie. Par exemple, si les particules s'accumulent au soleil, elles ne créeront pas nécessairement de neutrinos, donc peu importe qu'IceCube ne les voie pas. Hooper et ses collègues ont étudié les possibilités dans un article soumis le 10 septembre à arXiv.org. Et dans un article arXiv du 22 septembre, Hooper et ses collègues ont proposé une version d'une classe différente de particules de matière noire qui pourrait expliquer deux énigmes en une : le résultat de LZ et de mystérieux rayons gamma, une lumière à haute énergie, vus venant du centre de la Voie lactée.
D’autres physiciens étudient des idées totalement différentes, impliquant des types hypothétiques de particules tels que les photons sombres. Pendant ce temps, les scientifiques attendent avec impatience les nouveaux résultats de LZ, pour voir si des données supplémentaires cachent des événements similaires.
D'autres expériences sur la matière noire, telles que XENONnT au Laboratoire national du Gran Sasso en Italie, s'y penchent également, passant au peigne fin leurs données existantes pour rechercher des événements à haute énergie. Le résultat de LZ « nécessite clairement une vérification croisée », déclare Elena Aprile, porte-parole de XENONnT et physicienne à l'Université de Columbia.
Même si le résultat n’est pas une victoire décisive pour le higgsino – et même s’il ne s’agit peut-être pas du tout de matière noire – les scientifiques aiment explorer les possibilités. «Je pense que c'est une erreur de piquer une crise de colère parce que le Higgsino n'est pas tel que nous le souhaitons», dit Ramani. « La nature ne nous donne peut-être pas tout ce que nous voulons d’un seul coup. »
