Depuis que l’existence de la matière noire a été proposée pour la première fois en 1933 par l’astrophysicien suisse Fritz Zwicky, elle est la plus grande arlésienne de la discipline. Nous savons qu’elle représente environ 85 % de toute la matière de l’Univers, mais jamais nous n’avons réussi à la détecter. Ces dernières années, les indices indirects se télescopent : rayonnement gamma étrange au centre de la Voie lactée ou nouvelle théorie expliquant pourquoi nous ne parvenons pas à l’observer, mais la preuve définitive de son existence persiste à nous échapper.
Le 1er septembre, une étude présentée à la conférence TeV Particles Astrophysics (Japon) et soumise à la revue Physical Review Letters par des chercheurs travaillant au LUX-ZEPLIN (LZ), l’un des plus grands détecteurs de matière noire au monde, vient encore relancer les espoirs de la communauté scientifique. L’équipe internationale y a détecté un événement isolé d’une nature inédite : apparu dans une région du détecteur où les interférences connues sont statistiquement quasi nulles, il correspond exactement à ce que produirait l’impact d’une particule de matière noire.
Une collision dans les entrailles de la Terre : une nouvelle piste ?
Le LZ est enfoui à près de 1 600 mètres sous la roche dans une ancienne mine d’or du Dakota du Sud (le Sanford Underground Research Facility). Plus de 250 scientifiques et ingénieurs y travaillent dans un isolement extrême, qui permet de le protéger des rayons cosmiques et de la radioactivité naturelle de la roche qui pourraient fausser les mesures.
C’est un cylindre géant rempli de dix tonnes de xénon liquide ultrapur, utilisé comme piège passif à WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), des particules hypothétiques que la physique théorique considère comme les constituants les plus probables de la matière noire. Elles ne produisent ni lumière ni rayonnement, traversent la matière ordinaire presque sans laisser de trace et ne se trahissent, en théorie, que lors de collisions extrêmement rares avec des noyaux atomiques. Le xénon liquide a été choisi parce que ses atomes sont lourds et denses, ce qui augmente la probabilité statistique d’un tel impact.
Quand cela se produit, l’atome de xénon frappé émet un bref éclair lumineux, suivi d’une impulsion électrique, deux manifestations consécutives captées par des détecteurs placés aux extrémités de la cuve.
Entre mars 2023 et avril 2024, LZ a enregistré 220 jours d’observations. Les physiciens les avaient déjà analysées en ciblant des interactions à faible énergie, caractéristiques de WIMP légers ; sans résultat probant. Cette fois, les chercheurs ont exploré une gamme d’énergie supérieure, correspondant à des particules plus massives et donc à des collisions plus violentes avec les atomes de xénon.
C’est dans cette fenêtre qu’un atome de xénon a réagi comme s’il avait encaissé un choc, émettant le flash lumineux et le signal électrique attendus d’une collision avec une particule de matière noire, alors que les interférences dans cette partie du détecteur y sont quasi nulles et que ce profil correspond, trait pour trait, à ce que les modèles prédisent d’une interaction avec un WIMP.
« Nous sommes très intrigués de voir cet événement dans les données, dans la région où l’on s’attend à ce que la matière noire se manifeste et où les bruits de fond concurrents sont très bas », reconnaît Rick Gaitskell, porte-parole de la collaboration LZ et professeur à l’Université Brown. « Avec un seul événement, nous ne voulons pas nous emballer. Nous ne prétendons pas avoir vu de la matière noire, mais nous avons vu quelque chose d’intéressant que nous souhaitons partager avec la communauté scientifique. »
Un unique événement peut-il légitimer la quête de la masse cachée ?
La solidité statistique dudit événement se situe à 2,6 sigma. Une unité utilisée en physique des particules pour mesurer la probabilité qu’un résultat soit un pur coup de chance : à 2,6, il reste environ une chance sur 200 qu’il ne soit dû qu’au hasard. C’est suffisamment rare pour que l’équipe du LZ le relève, mais insuffisant pour en tirer une conclusion certaine, puisque la discipline exige un seuil de 5 sigma (une chance sur 3,5 millions) pour revendiquer une « découverte ».
Quoi qu’il en soit, pour Aaron Manalaysay, physicien au Berkeley Lab, cette potentielle collision reste une opportunité rare autant qu’une étincelle d’espoir. « C’est le premier exemple, dans toutes les expériences sur lesquelles j’ai travaillé, d’un événement aberrant qui semble valide sous tous les angles. Bien sûr, nous nous creusons encore la tête pour trouver un mécanisme de bruit de fond rare que nous aurions manqué, mais c’est grisant de se demander s’il pourrait s’agir du premier indice d’une observation de matière noire », explique-t-il. LZ ayant entamé sa première collecte de données en 2021, il n’en est qu’au tout début de sa carrière, et il continuera à récolter de nombreuses données dans les mois à venir. Si d’autres collisions similaires apparaissent dans les prochaines analyses, l’équipe disposera de suffisamment de matière et saura si elle tient un véritable fil à tirer pour la suite de ses recherches.
- Un détecteur de matière noire, LUX-ZEPLIN, a enregistré un signal intrigant qui pourrait indiquer une collision avec une particule de matière noire.
- Ce signal, bien que prometteur, nécessite davantage de confirmation, car sa solidité statistique est insuffisante pour une déclaration définitive.
- Les chercheurs continuent d’explorer les données, espérant découvrir d’autres événements similaires qui pourraient valider cette observation.
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