Un détecteur enfoui profondément sous terre a enregistré un événement que les chercheurs ne parviennent pas encore à rattacher à une cause connue.
L'expérience LUX-ZEPLIN, ou LZ, cherche directement les particules qui pourraient constituer la matière noire. Cette matière invisible est déduite de ses effets gravitationnels sur les galaxies et d'autres objets célestes. Sa nature reste inconnue, car aucune de ses particules supposées n'a encore été détectée de manière certaine.
Réseau de photomultiplicateurs du détecteur LUX-ZEPLIN, conçu pour capter les très faibles éclairs lumineux produits dans le xénon liquide.
Crédit : Matthew Kapust / Sanford Underground Research Facility
Pour tenter d'en saisir une, LZ utilise environ 10 tonnes de xénon liquide très pur. Le détecteur se trouve à près de 1,5 km sous terre, dans le Dakota du Sud. Cette profondeur bloque une grande partie des particules venues de l'espace qui pourraient produire de faux signaux.
Lorsqu'une particule frappe un atome de xénon, elle peut provoquer de minuscules émissions de lumière et libérer des électrons. Les chercheurs analysent ces traces pour déterminer leur origine. Ils cherchent notamment des WIMP, des particules hypothétiques massives qui interagiraient très rarement avec la matière ordinaire.
La nouvelle analyse porte sur 220 jours de mesures recueillies entre mars 2023 et avril 2024. Elle explore des interactions capables de déposer davantage d'énergie que celles recherchées lors des analyses précédentes. Un événement ressort : après des mois de vérifications, l'équipe n'a pas trouvé de bruit de fond connu permettant de l'expliquer facilement.
Lorsqu'une particule WIMP entre en collision avec un atome de xénon, ce dernier émet un flash lumineux et des électrons. La lumière est détectée en haut et en bas de la chambre de xénon liquide. Un champ électrique entraîne les électrons vers le haut de la chambre, où ils génèrent un second flash lumineux.
Crédit : Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory
Le résultat atteint 2,6 sigma, une mesure statistique utilisée pour estimer à quel point un résultat se distingue d'un simple hasard. En physique des particules, une découverte demande généralement 5 sigma. Selon l'équipe, les bruits de fond connus auraient environ 0,5 % de chances de produire un résultat au moins aussi inhabituel.
Si l'événement provenait réellement d'une particule de matière noire, celle-ci aurait probablement une masse supérieure à environ 200 fois celle d'un proton. Elle correspondrait aussi à un type d'interaction plus large que les modèles les plus simples habituellement testés par LZ. Pour l'instant, ce scénario reste une possibilité parmi d'autres.
Les chercheurs restent particulièrement prudents parce qu'ils ne disposent que d'un seul événement. Un phénomène rare encore mal compris dans le détecteur pourrait aussi en être responsable. L'équipe travaille donc sur les calibrations et sur les sources de bruit possibles dans cette gamme d'énergie.
La suite dépendra surtout des nouvelles données. LZ continue d'enregistrer des interactions dans son réservoir de xénon. Si d'autres événements semblables apparaissent, la portée statistique du signal pourra augmenter. S'il reste isolé, son importance pourrait au contraire diminuer à mesure que les mesures s'accumulent.