A-t-on enfin détecté un signal de matière noire pour la première fois ? 5 questions sur l’expérience LUX-ZEPLIN
De nouveaux résultats expérimentaux indiquent des signes de détection de matière noire. Ces particules, qui comptent beaucoup dans l'Univers mais qui demeurent insaisissables, ont-elles enfin été trouvées ? Pas complètement, mais c'est l'indice le plus sérieux jamais obtenu par l'expérience..
La matière noire est un concept théorique proposé il y a près d’un siècle pour expliquer les mouvements des galaxies et la structure de l’Univers. Selon les modèles cosmologiques, elle représenterait environ un quart de la densité énergétique totale de l’Univers, soit une proportion bien plus importante que la matière ordinaire qui nous entoure. Pourtant, elle n’interagit pas avec la lumière ni avec les atomes, ce qui la rend invisible et indétectable par les moyens classiques. Son existence est donc postulée pour expliquer des phénomènes gravitationnels observés, comme la rotation des galaxies, qui ne peuvent être compris avec la seule matière visible. Malgré des décennies de recherches, aucune preuve directe de son existence n’a encore été obtenue.
Les WIMPs (pour Weakly Interacting Massive Particles, soit particules massives interagissant faiblement) sont des particules hypothétiques considérées comme les candidates les plus probables pour composer la matière noire. Leur nom reflète leur nature : elles interagiraient très rarement avec la matière ordinaire, ce qui les rend extrêmement difficiles à détecter. Les modèles théoriques suggèrent que les WIMPs pourraient avoir une masse comprise entre quelques gigaélectronvolts (GeV) et plusieurs centaines de GeV. Leur détection directe nécessiterait des instruments capables de capter des interactions extrêmement rares et subtiles, comme celles provoquées par leur collision avec des noyaux atomiques.
L’expérience LUX-ZEPLIN (LZ), située à 1 500 mètres sous terre dans une ancienne mine du Dakota du Sud, est l’un des détecteurs de matière noire les plus sensibles au monde. Elle utilise 7 tonnes de xénon liquide comme milieu de détection, car ce gaz noble est particulièrement efficace pour enregistrer les interactions avec des particules comme les WIMPs. En cas de collision, le noyau d’un atome de xénon se déplace légèrement, émettant un signal lumineux dans l’ultraviolet. Le détecteur est protégé des rayons cosmiques (particules énergétiques venant de l’espace) par son emplacement souterrain, ce qui réduit les interférences et permet de capter des signaux extrêmement rares.
En juin 2023, l’expérience LZ a enregistré un événement nommé LZ230616, compatible avec une interaction entre un noyau de xénon et une particule de type WIMP. Ce signal, bien que prometteur, n’a pas encore été validé par une relecture par les pairs, une étape cruciale en science pour confirmer la fiabilité des résultats. Les chercheurs estiment que la probabilité que ce signal soit une simple fluctuation du bruit de fond est d’environ 0,5 %, mais cela reste insuffisant pour parler de découverte. Pour être reconnu comme une preuve, un signal doit atteindre un niveau de certitude de 5 sigmas (soit une probabilité d’erreur inférieure à 0,00003 %), ce qui n’est pas encore le cas ici (2,6 sigmas).
Les chercheurs de LZ poursuivent actuellement l’acquisition de données pour tenter de détecter d’autres événements similaires à LZ230616 et ainsi confirmer ou infirmer son origine. D’autres expériences, comme *EDELWEISS* en France ou *JUNO* en Chine, explorent également des pistes pour détecter la matière noire ou des particules associées. L’expérience LZ prévoit de collecter des données pendant 1 000 jours avant son arrêt en 2028. En attendant, les scientifiques restent prudents : l’événement LZ230616 est considéré comme un indice fort, mais pas comme une preuve définitive. D’autres analyses et collaborations seront nécessaires pour élucider ce mystère.
