Matière noire : un nouvel indice pourrait nous rapprocher de sa découverte, capté par l’un des détecteurs les plus sensibles au monde
Le plus grand fantôme de l'Univers s'est-il enfin montré ? Au cœur d'une ancienne mine américaine, l'un des instruments les plus sophistiqués de la planète vient de capter un signal étrange qui a mis en ébullition les physiciens. Un indice qui reste, pour le moment, à confirmer, de l'aveu même de l'équipe de chercheurs à l'origine de sa détection..
La matière noire est une forme hypothétique de matière qui représente environ 85 % de toute la matière présente dans l’Univers. Contrairement à la matière ordinaire, comme les atomes qui composent les étoiles, les planètes ou les êtres vivants, elle n’émet ni lumière ni rayonnement et n’interagit presque pas avec la matière visible. Son existence a été proposée en 1933 par l’astrophysicien suisse Fritz Zwicky pour expliquer des anomalies dans le mouvement des galaxies au sein des amas. Malgré des décennies de recherches, elle n’a jamais été détectée directement, ce qui en fait l’un des plus grands mystères de la physique moderne. Les scientifiques estiment qu’elle joue un rôle clé dans la structure et l’évolution de l’Univers, notamment en maintenant les galaxies ensemble grâce à sa force gravitationnelle.
Les WIMP (Weakly Interacting Massive Particles, ou particules massives interagissant faiblement) sont des particules hypothétiques considérées comme les principaux candidats pour expliquer la matière noire. Leur nom reflète leur propriété : elles interagiraient très rarement avec la matière ordinaire, traversant par exemple la Terre sans laisser de trace, tout en possédant une masse significative. Leur détection directe est extrêmement difficile en raison de cette faible interaction. Les modèles théoriques suggèrent que les WIMP pourraient entrer en collision avec des noyaux atomiques, comme ceux du xénon, et produire un signal détectable sous forme de lumière et d’impulsion électrique. Le détecteur LUX-ZEPLIN (LZ) est conçu pour capturer ces rares événements.
Le détecteur LUX-ZEPLIN (LZ) est l’un des instruments les plus sensibles au monde pour traquer la matière noire. Il est installé à près de 1 600 mètres sous terre, dans une ancienne mine d’or du Dakota du Sud (États-Unis), au sein du Sanford Underground Research Facility. Cet emplacement en profondeur permet de le protéger des rayons cosmiques et de la radioactivité naturelle de la roche, qui pourraient fausser les mesures. Le détecteur est un cylindre géant rempli de 10 tonnes de xénon liquide ultrapur, un gaz rare choisi pour sa densité et sa capacité à réagir lors d’une collision avec une WIMP. Lorsqu’un atome de xénon est frappé, il émet un éclair lumineux suivi d’une impulsion électrique, deux signaux enregistrés par des capteurs placés aux extrémités de la cuve. LZ a commencé ses observations en 2021 et compte plus de 250 scientifiques et ingénieurs parmi ses collaborateurs.
Entre mars 2023 et avril 2024, le détecteur LZ a enregistré 220 jours d’observations. Les physiciens ont analysé ces données en ciblant d’abord des interactions à faible énergie, typiques de WIMP légères, sans succès. Cette fois, ils 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 de manière inattendue : il a émis le flash lumineux et le signal électrique attendus d’une collision avec une WIMP. Ce signal est apparu dans une zone du détecteur où les interférences sont quasi nulles, ce qui renforce son intérêt. Cependant, les chercheurs restent prudents, car un seul événement ne suffit pas à prouver l’existence de la matière noire.
Le signal détecté par LZ présente une solidité statistique de 2,6 sigma, ce qui signifie qu’il y a environ une chance sur 200 qu’il soit dû au hasard. En physique des particules, un seuil de 5 sigma (une chance sur 3,5 millions) est généralement requis pour revendiquer une découverte. Bien que le résultat soit prometteur, il ne permet pas encore de conclure. Les chercheurs, comme Rick Gaitskell, porte-parole de la collaboration LZ, soulignent qu’il s’agit d’un événement intrigant mais insuffisant pour une déclaration définitive. Aaron Manalaysay, physicien au Berkeley Lab, qualifie ce signal de rare opportunité et d’étincelle d’espoir, tout en reconnaissant la nécessité de vérifier l’absence de mécanismes de bruit de fond rares. LZ continue ses observations et espère détecter d’autres événements similaires dans les mois à venir pour valider cette piste.
Le détecteur LZ, bien qu’encore en phase initiale de sa collecte de données, représente une avancée majeure dans la quête de la matière noire. Si d’autres collisions similaires sont observées dans les prochaines analyses, les chercheurs pourront accumuler suffisamment de données pour confirmer ou infirmer ce signal. Une confirmation nécessiterait une accumulation de preuves solides, comme une série d’événements cohérents avec les prédictions des modèles théoriques. Les scientifiques restent optimistes mais prudents, car la matière noire reste insaisissable malgré des décennies de recherches. Cette découverte potentielle, si elle est validée, marquerait une étape historique pour la physique et notre compréhension de l’Univers.
