La majeure partie de la matière de l’univers est manquante. Les scientifiques estiment qu’environ 85 % de la matière du cosmos est constituée de matière noire invisible, qui n’a été détectée qu’indirectement par ses effets gravitationnels sur son environnement.
Mes collègues et moi-même, une équipe de quelque 250 scientifiques du monde entier travaillant sur une expérience sur la matière noire appelée LUX-ZEPLIN (ou LZ) — nous présentons nos dernières découvertes issues de la longue quête visant à découvrir exactement de quoi est composée cette matière noire.
Nous n’avons pas encore trouvé les particules insaisissables dont nous pensons qu’elles constituent la matière noire, mais nous avons fixé les limites les plus strictes à ce jour pour leurs propriétés. Nous avons également montré que notre détecteur fonctionne comme prévu et devrait produire des résultats encore meilleurs à l’avenir.
Nos résultats sont rapportés à la Conférence TeV Particle Astrophysics 2024 à Chicago et le Conférence LIDINE 2024 à São Paulo, au Brésil. Un article de revue sera soumis à un examen par les pairs.
Qu’est-ce que la matière noire ?
Lorsque les astronomes observent l’Univers, ils constatent que la matière visible des étoiles, du gaz et des galaxies n’est pas tout ce qu’il y a. De nombreux phénomènes, comme la vitesse de rotation des galaxies et la structure de la lueur résiduelle du Big Bang, ne peuvent s’expliquer que par la présence de grandes quantités d’une substance invisible : la matière noire.
Mais de quoi est donc composée cette matière noire ? Nous ne connaissons actuellement aucun type de particule qui pourrait expliquer ces observations astronomiques.
Il existe des dizaines de théories visant à expliquer les observations de matière noire, allant des particules exotiques inconnues aux minuscules trous noirs en passant par les changements fondamentaux de notre théorie de la gravité. Cependant, aucune d’entre elles n’a encore été prouvée correcte.
L’une des théories les plus répandues suggère que la matière noire est constituée de « particules massives à faible interaction » (ou WIMP). Ces particules relativement lourdes pourraient être à l’origine des effets gravitationnels observés et aussi, très rarement, interagir avec la matière ordinaire.
Comment savoir si cette théorie est correcte ? Nous pensons que ces particules doivent traverser la Terre en permanence. La plupart du temps, elles passent sans interagir avec quoi que ce soit, mais de temps en temps, une WIMP peut s’écraser directement sur le noyau d’un atome – et c’est ce genre de collisions que nous essayons de repérer.
Un grand réservoir froid de xénon liquide
L’expérience LZ se déroule dans une ancienne mine d’or à environ 1 500 mètres sous terre, dans le Dakota du Sud, aux États-Unis. Le fait de placer l’expérience profondément sous terre permet d’éliminer autant de radiations de fond que possible.
L’expérience consiste en un grand réservoir à double paroi rempli de sept tonnes de xénon liquide, un gaz noble refroidi à une température de 175 kelvins (–98 °C).
Si une particule de matière noire entre en collision avec un noyau de xénon, elle devrait émettre un minuscule éclair de lumière. Notre détecteur est équipé de 494 capteurs de lumière pour détecter ces éclairs.
Les scientifiques terminent la construction du réseau de capteurs pour l’expérience LZ.
Bien entendu, les particules de matière noire ne sont pas les seules à pouvoir créer ces flashs. Il existe également un rayonnement de fond provenant de l’environnement et même des matériaux du réservoir et des détecteurs eux-mêmes.
Pour déterminer si nous observons des signes de matière noire, il faut en grande partie distinguer ce rayonnement de fond de tout autre phénomène plus exotique. Pour ce faire, nous effectuons des simulations détaillées des résultats que nous nous attendrions à voir avec et sans matière noire.
Ces simulations ont été au centre d’une grande partie de ma part dans l’expérience, qui a débuté lorsque j’ai commencé mon doctorat en 2015. J’ai également développé des capteurs de surveillance de détecteurs et j’ai été responsable de l’intégration et de la mise en service du détecteur central souterrain, qui a commencé à collecter des données en 2021.
Resserrer le filet
Nos derniers résultats ne montrent aucun signe de matière noire. Ils nous permettent néanmoins d’écarter de nombreuses possibilités.
Nous n’avons trouvé aucune trace de particules dont la masse est supérieure à 1,6 × 10–26 kilogrammes, soit environ 10 fois plus lourde qu’un proton.
Ces résultats sont basés sur 280 jours d’observations effectuées par le détecteur. À terme, nous espérons collecter 1 000 jours d’observations, ce qui nous permettra de rechercher encore plus de particules de matière noire potentielles.
Si nous avons de la chance, nous pourrions découvrir que la matière noire apparaît dans les nouvelles données. Sinon, nous avons déjà commencé à élaborer des plans pour une expérience de matière noire de nouvelle génération. Le XLZD (XÉNON-LUX-ZEPLIN-DARWIN) vise à construire un détecteur presque dix fois plus grand qui nous permettrait d’explorer encore plus l’espace où ces particules omniprésentes mais insaisissables peuvent se cacher.
Cet article est republié à partir de La Conversation sous licence Creative Commons. Lire la suite article original.