
Une expérience établit un nouveau record dans la recherche de la matière noire
Le détecteur central de LZ, la chambre de projection temporelle, dans une salle blanche de laboratoire de surface avant livraison sous terre. Crédit : Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility
La nature de la matière noire, cette substance invisible qui constitue la majeure partie de la masse de notre univers, est l’une des plus grandes énigmes de la physique. De nouveaux résultats obtenus par le détecteur de matière noire le plus sensible au monde, LUX-ZEPLIN (LZ), ont réduit les possibilités d’identification de l’un des principaux candidats à la matière noire : les particules massives à interaction faible, ou WIMP.
L’expérience LZ, dirigée par le Laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie (Berkeley Lab), part à la recherche de matière noire dans une caverne située à près d’un kilomètre sous terre, au Sanford Underground Research Facility, dans le Dakota du Sud. Les nouveaux résultats de l’expérience explorent des interactions de matière noire plus faibles que jamais étudiées auparavant et limitent encore davantage ce que pourraient être les WIMP.
« Il s’agit de nouvelles contraintes de premier plan sur la matière noire et les WIMP », a déclaré Chamkaur Ghag, porte-parole de LZ et professeur à l’University College London (UCL). Il a noté que les techniques de détection et d’analyse fonctionnent encore mieux que ce que la collaboration attendait.
« Si des WIMPs avaient été présents dans la région que nous avons étudiée, nous aurions pu en dire quelque chose de manière fiable. Nous savons que nous disposons de la sensibilité et des outils nécessaires pour voir s’ils sont présents alors que nous recherchons des énergies plus basses et que nous accumulons la majeure partie de la durée de vie de cette expérience. »
La collaboration n’a trouvé aucune preuve de WIMPs au-dessus d’une masse de 9 gigaélectronvolts/c2 (GeV/c2). (A titre de comparaison, la masse d’un proton est légèrement inférieure à 1 GeV/c2.) La sensibilité de l’expérience aux interactions faibles aide les chercheurs à rejeter les modèles potentiels de matière noire WIMP qui ne correspondent pas aux données, laissant beaucoup moins d’endroits où les WIMP peuvent se cacher.
Les nouveaux résultats ont été présentés lors de deux conférences de physique le 26 août : TeV Particle Astrophysics 2024 à Chicago, Illinois, et LIDINE 2024 à São Paulo, Brésil. Un article sera publié dans les prochaines semaines.

Un ensemble de tubes photomultiplicateurs conçus pour détecter les signaux provenant des interactions entre particules se produisant dans le détecteur au xénon liquide de LZ. Crédit : Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility
Les résultats analysent 280 jours de données : un nouvel ensemble de 220 jours (collectés entre mars 2023 et avril 2024) combiné à 60 jours antérieurs de la première exécution de LZ. L’expérience prévoit de collecter 1 000 jours de données avant sa fin en 2028.
« Si l’on considère la recherche de la matière noire comme la recherche d’un trésor enfoui, nous avons creusé presque cinq fois plus profondément que quiconque dans le passé », a déclaré Scott Kravitz, coordinateur adjoint de physique de LZ et professeur à l’Université du Texas à Austin. « Ce n’est pas quelque chose qu’on fait avec un million de pelles, on le fait en inventant un nouvel outil. »
La sensibilité du LZ vient des multiples façons dont le détecteur peut réduire les bruits de fond, ces faux signaux qui peuvent imiter ou masquer une interaction avec la matière noire. Situé dans les profondeurs de la terre, le détecteur est protégé des rayons cosmiques provenant de l’espace.
Pour réduire le rayonnement naturel des objets du quotidien, LZ a été construit à partir de milliers de pièces ultra-propres et à faible rayonnement. Le détecteur est construit comme un oignon, chaque couche bloquant le rayonnement extérieur ou suivant les interactions des particules pour éliminer les imitations de matière noire. De nouvelles techniques d’analyse sophistiquées permettent d’éliminer les interactions de fond, en particulier celles du coupable le plus courant : le radon.
Ce résultat est également la première fois que LZ a appliqué le « salage », une technique qui consiste à ajouter de faux signaux WIMP lors de la collecte de données. En camouflant les données réelles jusqu’au « dé-salage » à la toute fin, les chercheurs peuvent éviter les biais inconscients et éviter de trop interpréter ou de modifier leur analyse.

Des membres de l’équipe LZ dans le réservoir d’eau LZ après l’installation du détecteur extérieur. Crédit : Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility
« Nous repoussons les limites d’un régime dans lequel les chercheurs n’ont jamais cherché de matière noire auparavant », a déclaré Scott Haselschwardt, coordinateur de physique du LZ et récent boursier Chamberlain au Berkeley Lab, aujourd’hui professeur adjoint à l’Université du Michigan. « L’être humain a tendance à vouloir voir des modèles dans les données, il est donc très important, lorsque vous entrez dans ce nouveau régime, de ne pas laisser de biais s’infiltrer. Si vous faites une découverte, vous voulez la faire correctement. »
La matière noire, ainsi nommée parce qu’elle n’émet pas, ne réfléchit pas et n’absorbe pas la lumière, représenterait 85 % de la masse de l’univers, mais n’a jamais été directement détectée, bien qu’elle ait laissé ses empreintes sur de nombreuses observations astronomiques. Nous n’existerions pas sans ce morceau mystérieux mais fondamental de l’univers ; la masse de la matière noire contribue à l’attraction gravitationnelle qui aide les galaxies à se former et à rester ensemble.
LZ utilise 10 tonnes de xénon liquide pour fournir un matériau dense et transparent sur lequel les particules de matière noire pourraient éventuellement entrer en collision. L’objectif est qu’un WIMP entre en collision avec un noyau de xénon, le faisant bouger, un peu comme une bille blanche frappée dans une partie de billard. En collectant la lumière et les électrons émis lors des interactions, LZ capture les signaux WIMP potentiels ainsi que d’autres données.
« Nous avons démontré à quel point nous sommes puissants en tant que machine de recherche WIMP, et nous allons continuer à fonctionner et à nous améliorer encore, mais il y a beaucoup d’autres choses que nous pouvons faire avec ce détecteur », a déclaré Amy Cottle, responsable de l’effort de recherche WIMP et professeur adjoint à l’UCL.
« L’étape suivante consiste à utiliser ces données pour étudier d’autres processus physiques intéressants et rares, comme les désintégrations rares des atomes de xénon, la double désintégration bêta sans neutrinos, les neutrinos du bore-8 du soleil et d’autres phénomènes physiques au-delà du modèle standard. Et cela s’ajoute à l’étude de certains des modèles de matière noire les plus intéressants et jusqu’alors inaccessibles des 20 dernières années. »

Les membres de la collaboration LZ se réunissent au Sanford Underground Research Facility en juin 2023, peu après le début de la récente expérience scientifique. Crédit : Stephen Kenny/Sanford Underground Research Facility
LZ est une collaboration d’environ 250 scientifiques issus de 38 institutions aux États-Unis, au Royaume-Uni, au Portugal, en Suisse, en Corée du Sud et en Australie ; une grande partie du travail de construction, d’exploitation et d’analyse de cette expérience record est réalisée par des chercheurs en début de carrière.
La collaboration se réjouit déjà d’analyser le prochain ensemble de données et d’utiliser de nouvelles astuces d’analyse pour rechercher de la matière noire de masse encore plus faible. Les scientifiques réfléchissent également à des mises à niveau potentielles pour améliorer encore davantage LZ et planifient un détecteur de matière noire de nouvelle génération appelé XLZD.
« Notre capacité à rechercher la matière noire s’améliore à un rythme plus rapide que la loi de Moore », a déclaré Kravitz. « Si vous regardez une courbe exponentielle, tout ce qui précède n’est rien. Attendez de voir ce qui vient ensuite. »
Fourni par le Laboratoire national Lawrence Berkeley
Citation:Une expérience établit un nouveau record dans la recherche de matière noire (2024, 26 août) récupéré le 27 août 2024 à partir de
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