Résultat surprenant pour l'expérience de recherche directe de matière noire XENON1T

Publié par Redbran le 19/06/2020 à 09:00
Source: CNRS IN2P3
Les scientifiques de la collaboration internationale XENON ont annoncé que les données de XENON1T, l'expérience de matière noire la plus sensible au monde, montrent un excès surprenant d'événements. Les scientifiques ne prétendent pas avoir trouvé de matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais dark matter, désigne la matière apparemment indétectable,...). Au lieu de cela, ils disent avoir observé un taux d'événements imprévu, dont la source n'est pas encore entièrement comprise. La signature de l'excès est similaire à ce qui pourrait résulter d'une petite quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) résiduelle de tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2 neutrons. Il a été mis en évidence en 1934, par Ernest Rutherford, dans la...), mais pourrait également être le signe de quelque chose de plus excitant - comme l'existence d'une nouvelle particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des particules. Ces particules subatomiques sont dites...) connue comme l'axion solaire ou l'indication (Une indication (du latin indicare : indiquer) est un conseil ou une recommandation, écrit ou oral.) de propriétés encore inconnues des neutrinos.


La chambre à projection temporelle de XENON1T. Crédit: XENON collaboration

Le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a...) XENON1T contenait 3,2 tonnes de xénon (Le xénon est un élément chimique, de symbole Xe et de numéro atomique 54. Le xénon est un gaz noble, inodore et incolore. Dans une lampe à...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) ultra-pur, dont 2 tonnes servaient de cible active. Lorsqu'une particule traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des véhicules circulant sur...) la cible, elle peut générer de minuscules signaux de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...) et libérer des électrons d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) de xénon. La plupart de ces interactions sont produites par des particules connues et déjà observées. Les scientifiques ont soigneusement estimé le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'événements provenant de ce fond dans XENON1T, et ainsi lorsque les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un...) de XENON1T ont été comparées au bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.), un excès surprenant de 53 événements par rapport aux 232 événements attendus a été observé.

Cela pose une question passionnante: d'où cet excès provient-il ?

Une explication pourrait être une nouvelle source de bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.), auparavant non prise en compte, causée par la présence de petites quantités de tritium dans le détecteur XENON1T. Le tritium, un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est...) radioactif de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), se désintègre spontanément en émettant un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) avec une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) similaire à celle observée. Seuls quelques atomes pour 1025 (10 000 000 000 000 000 000 000 000 !!!) atomes de xénon seraient nécessaires pour expliquer l'excès. Actuellement, aucune mesure indépendante ne peut confirmer ou infirmer la présence de tritium à ce niveau dans le détecteur, de sorte qu'une réponse définitive à cette explication n'est pas encore possible.

Trois explications envisagées

Plus largement, une autre explication pourrait être l'existence d'une nouvelle particule. En fait, l'excès observé est distribué dans un spectre d'énergie similaire à celui attendu pour l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en...) des axions produits dans le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...). Les axions sont des particules hypothétiques qui ont été proposées pour préserver la symétrie temporelle inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y =...) de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) forte nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), et le Soleil pourrait en être une source importante. Bien que ces axions solaires ne soient pas des candidats pour expliquer la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) noire, leur détection marquerait la première observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) d'une classe de nouvelles particules bien motivée mais jamais observée, avec un impact important sur notre compréhension de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.), mais aussi sur les phénomènes astrophysiques. De plus, les axions produits justes après la naissance de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) pourraient également être la source tant recherchée de matière noire.

L'hypothèse d'une nouvelle particule est la plus cohérente

Alternativement, l'excès pourrait également être dû aux neutrinos, dont des milliers de milliards traversent votre corps, sans entrave, chaque seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde...). Une explication pourrait être que le moment magnétique (En magnétostatique, soit une distribution de courants permanents à support compact de volume V.) (une propriété de toutes les particules) des neutrinos est supérieur à sa valeur dans le Modèle Standard des particules élémentaires. Ce serait, là aussi, un indice fort de la présence de nouveaux phénomènes physiques nécessaires pour l'expliquer.

Des trois explications envisagées par la collaboration XENON, l'excès observé est le plus cohérent avec un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) d'axion solaire. En termes statistiques, l'hypothèse de l'axion solaire a une signification de 3,5 sigmas, ce qui signifie qu'il y a environ 2 chances sur 10 000 que l'excès observé soit dû à une fluctuation aléatoire plutôt qu'à un signal. Bien que cette probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande importance donnant lieu à de...) soit assez élevée, elle n'est pas assez grande pour conclure à l'existence d'axions. La signification des hypothèses sur le tritium et sur le moment magnétique anormal du neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) correspond à 3,2 sigmas, ce qui signifie qu'elles sont également cohérentes avec les données.

Une nouvelle expérience pour trancher

XENON1T passe maintenant à sa prochaine phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) - XENONnT - avec une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à...) active trois fois plus grande et un bruit de fond qui devrait être inférieur à celui de XENON1T. Avec les données de meilleures qualités provenant de XENONnT, la collaboration XENON est convaincue qu'elle découvrira bientôt si cet excès est un simple hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet d'un événement.) statistique (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces ressources afin de les rendre...), une nouvelle contamination particulièrement faible du bruit de fond ou quelque chose de bien plus excitant: une nouvelle particule ou interaction qui va au-delà de la physique connue.

Lien vers la publication des résultats

A propos de l'expérience XENON1T

XENON1T a fonctionné au sein du laboratoire sous-terrain INFN du LNGS, Laboratori Nazionali del Gran Sasso en Italie, de 2016 à 2018. L'expérience a été conçue au préalable pour détecter directement la matière moire, qui représente 85% de la matière dans l'univers. Jusqu'à présent, les scientifiques n'ont observé que des preuves indirectes de la présence de matière noire et une détection directe et définitive n'a pas encore été effectuée. Les soi-disant WIMPs (Weakly Interacting Massive (Le mot massif peut être employé comme :) Particles) sont parmi les candidats théoriquement préférés, et XENON1T a jusqu'à présent fixé la meilleure limite sur leur probabilité d'interaction pour une large fourchette de masses possibles. En plus de la matière noire de type WIMPs, XENON1T était également sensible à différents types de nouvelles particules et interactions qui pourraient expliquer d'autres questions ouvertes en physique. Ainsi, l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) dernière et à l'aide des données provenant de ce même détecteur, ces scientifiques ont publié dans Nature l'observation de la désintégration nucléaire la plus rare jamais mesurée directement.

Site web de la collaboration XENON: http://www.xenon1t.org

A propos de la collaboration XENON1T

La collaboration XENON comprend 163 scientifiques de 28 institutions situées dans 11 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui subsiste le plus souvent sous...). Trois équipes de l'IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de recherche est comme son nom l'indique la physique...) y contribuent:
- équipe du laboratoire SUBATECH (IMT Atlantique - CNRS/IN2P3 - Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Nantes) coordonnée par Dominique Thers,
- équipe du LPNHE (Laboratoire de physique des hautes énergies CNRS/IN2P3 - Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du collège de Sorbonne,...) Université) coordonnée par Luca Scotto-Lavina,
- équipe du laboratoire IJCLab (Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot Curie, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, Université de Paris) coordonnée par Carla Macolino.

Les équipes IN2P3 ont réalisé des stations-services de Xénon liquide ReStoX, des électrodes de l'expérience et déployé des ressources informatiques du CC-in2p3. Une dizaine de ses chercheurs participent activement aux prises de données, à leur analyse et à la vie (La vie est le nom donné :) de la collaboration.

Des moyens matériels ont pu être apportés par les équipes françaises grâce aux contributions du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), des régions Pays de la Loire et Ile-de-France.
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