Matière noire: premiers résultats de la recherche de WIMP avec l'expérience XENONnT

La collaboration XENON a présenté mercredi 22 mars les résultats de XENONnT, l'expérience de dernière génération du projet XENON, dédié à la recherche directe de matière noire sous la forme de particules massives interagissant faiblement (WIMP). Avec une exposition initiale légèrement supérieure à 1 tonne.an et une analyse en aveugle, les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) sont cohérentes avec l'hypothèse d'un bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) seul. XENONnT fixe donc de nouvelles limites à l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) des WIMP avec la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) ordinaire. Grâce à un bruit de fond cinq fois plus faible, XENONnT a considérablement amélioré les résultats de l'expérience XENON1T, obtenus avec une exposition similaire.


L'expérience XENONnT a été conçue pour rechercher des particules de matière noire avec une sensibilité supérieure d'un ordre de grandeur à celle de son prédécesseur. Le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) cylindrique au coeur de l'expérience est une chambre de projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de...) temporelle (TPC). D'une hauteur et d'un diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) d'environ 1,5 mètre, il est rempli de xénon liquide ultrapur maintenu à -95°C. Une masse de 5900 kg de xénon sur les 8600 kg nécessaires au fonctionnement du détecteur constitue la cible active pour les interactions avec les particules. Il est installé à l'intérieur d'un veto Cherenkov pour les muons et les neutrons, dans les profondeurs des Laboratoires nationaux du Gran Sasso (INFN), en Italie. XENONnT a été construit puis mis en service entre le printemps (Le printemps (du latin primus, premier, et tempus, temps, cette saison marquant autrefois le...) 2020 et le printemps 2021 et a pris ces premières données scientifiques sur 97,1 jours, du 6 juillet au 10 novembre 2021.

La signature d'une interaction entre un WIMP et un atome de xénon est un minuscule flash de lumière de scintillation accompagné d'une poignée d'électrons d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une...). Ceux-ci sont entraînés par un champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) appliqué vers le haut de la TPC où ils sont ensuite extraits par un champ électrique plus fort dans le xénon gazeux, au-dessus du liquide, produisant un deuxième signal de scintillation. Les deux signaux lumineux sont détectés par des photodétecteurs ultrasensibles, qui fournissent des informations sur l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) et la position en 3D, événement par événement.

Les expériences de recherche de la matière noire nécessitent le niveau le plus bas possible de radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur...) naturelle, provenant à la fois de sources intrinsèquement présentes dans la cible de xénon liquide, des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) de construction et de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...). Celle-ci dominée par les atomes de radon qui sont constamment émis par les matériaux des détecteurs et qu'il est extrêmement difficile de réduire.

La collaboration XENON a été la première à mettre au point des technologies permettant d'abaisser le radon à un niveau sans précédent, depuis les campagnes de sélection des matériaux jusqu'au système de distillation cryogénique en ligne qui élimine activement le radon du xénon. Un autre bruit de fond radioactif important provient des neutrons générés par la radioactivité des matériaux des détecteurs. Dans XENONnT, son impact a été réduit grâce à un nouveau détecteur de veto neutronique (La neutronique est l'étude du cheminement des neutrons dans la matière et des...) installé dans le réservoir d'eau autour du cryostat à xénon. Il permet de reconnaître et d'éliminer les événements neutroniques susceptibles d'imiter la signature des WIMP. Le détecteur XENONnT est si sensible aux interactions rares que même les neutrinos, les particules les plus insaisissables connues à ce jour, doivent être pris en compte dans le modèle d'arrière-plan.

Avec ce résultat, XENONnT renforce les contraintes précédentes dès la première courte exposition.

XENONnT recueille davantage de données, avec des conditions de détection améliorées et un niveau de bruit de fond encore plus faible grâce à une nouvelle amélioration du système d'élimination du radon en ligne, dans le but d'accroître la sensibilité des WIMP au cours des prochaines années.