Une nouvelle analyse des données SuperCDMS fixe des limites de détection plus strictes pour la matière noire

Pendant près d’un siècle, la matière noire a continué d’échapper à la détection directe, poussant les scientifiques à proposer des méthodes de recherche encore plus créatives. Cependant, les expériences de détection de plus en plus sensibles sont une entreprise majeure, ce qui signifie que les scientifiques veulent être sûrs d’analyser les données de ces expériences de la manière la plus approfondie et la plus robuste possible.

Dans cet esprit, la collaboration Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS) a publié une réanalyse des données expérimentales précédemment publiées. Leur étude, publiée récemment dans Examen physique Ddécrit la recherche de matière noire par l’équipe via deux processus appelés rayonnement Bremsstrahlung et effet Migdal.

Dans une analyse inédite, l’équipe a également travaillé avec des géologues pour examiner comment l’atmosphère et la composition interne de la Terre interagissent avec les particules de matière noire pour provoquer la dissipation de leur énergie. L’analyse représente l’une des limites les plus strictes en matière de détection de matière noire à ce jour et ouvre la voie à de futures recherches sur la matière noire.

« Alors que nous recherchons de la matière noire, nous devons étendre les sensibilités de détection », a déclaré Noah Kurinksy, scientifique au SLAC et auteur correspondant de l’étude. « Avoir de meilleures façons de modéliser ces processus et de comprendre ces types de mesures est très important pour la communauté de la matière noire. »

Diffusion invisible

Dans une expérience comme SuperCDMS, les physiciens recherchent des signes indiquant que la matière noire est entrée en collision avec les noyaux atomiques – les protons et les neutrons – à l’intérieur d’un matériau tel que le silicium et le germanium.

Habituellement, l’hypothèse est que lorsqu’une particule de matière noire heurte un noyau, la collision est élastique : toute énergie que la particule de matière noire perd est transférée dans le mouvement du noyau, de sorte que les deux particules reculent. « Votre exemple typique de dispersion des boules de billard », a expliqué Kurinsky.

Ces dernières années, cependant, des chercheurs ont proposé que la matière noire puisse être détectée par des collisions inélastiques, dans lesquelles l’énergie de la collision est transférée à quelque chose d’autre qui est peut-être plus facile à détecter, comme des photons ou des électrons. Cela pourrait conduire à des capacités de détection plus sensibles pour les expériences de détection de matière noire.

Considérant que l’expérience SuperCDMS est déjà l’un des détecteurs de matière noire les plus sensibles de son genre, « nous voulions savoir quelle était la probabilité que nous voyions ce type particulier de signal dans les données SuperCDMS », a déclaré Daniel Jardin, co-auteur de la nouvelle étude et un chercheur postdoctoral à l’Université Northwestern qui a aidé à diriger l’analyse.

L’équipe s’est concentrée sur deux voies potentielles de collisions inélastiques : le rayonnement de Bremsstrahlung et l’effet Migdal.

Bremsstrahlung est un phénomène bien connu et déjà observé causé par la décélération d’une particule chargée – le mot est allemand pour « rayonnement de freinage ». Dans un détecteur de matière noire, cela pourrait se produire lorsqu’une particule de matière noire entre en collision avec un noyau, qui transfère alors une partie de son énergie à un photon au lieu de simplement reculer. S’il était détecté, ce photon suggérerait qu’une particule mystérieuse et rapide – peut-être de la matière noire – a percuté le noyau et envoyé le photon voler.

Un autre mode possible pour les collisions inélastiques est l’effet Migdal. Bien que cela n’ait pas encore été démontré expérimentalement, l’idée est que lorsqu’une particule de matière noire frappe un noyau, ce noyau est expulsé du centre de son nuage d’électrons. Après un très court laps de temps, le nuage d’électrons se réajuste autour du noyau, éjectant des électrons que les chercheurs ont pu détecter. Ces dernières années, les scientifiques ont calculé à quoi ressemblerait un tel signal s’il se produisait dans les détecteurs de matière noire.

La réanalyse des données en tenant compte des processus inélastiques n’a pas révélé de preuve de matière noire, a déclaré Jardin, mais « chacune de ces analyses a étendu les limites existantes de l’expérience à des masses inférieures ». Une précédente analyse de données SuperCDMS a exclu les particules de matière noire avec des masses aussi faibles que celle du proton. En tenant compte du Bremsstrahlung, l’expérience peut désormais exclure des masses de particules de matière noire jusqu’à environ un cinquième de la masse du proton, et même des masses inférieures lorsque l’hypothétique effet Migdal est pris en compte.

Quand la Terre gêne

Mais les chercheurs ne se sont pas arrêtés là. « Nous voulions innover au-delà de prendre ces idées et de les appliquer à nos données », a déclaré Jardin. « Donc, nous avons ajouté d’autres choses que personne d’autre n’a faites. »

Jardin et ses collègues ont non seulement étendu les limites de détection les plus basses pour les interactions avec la matière noire, mais ont également considéré la limite supérieure. « Les chercheurs dans le domaine réalisent maintenant que si la matière noire interagit suffisamment fortement, elle pourrait interagir avec l’atmosphère et la Terre sur son chemin vers le détecteur, qui est profondément souterrain. Dans cette interaction, il y a en fait une limite supérieure où vous seriez bloqué par la Terre elle-même », a déclaré Jardin.

En particulier, plus la matière noire interagit fortement avec d’autres types de matière sur son chemin vers le détecteur, plus elle perd d’énergie. À un moment donné, une particule de matière noire pourrait perdre tellement d’énergie qu’au moment où elle atteint le détecteur, elle ne peut plus créer de signal détectable.

Pour calculer la limite d’énergie des particules de matière noire atteignant l’expérience SuperCDMS, les chercheurs ont modélisé comment les densités de l’atmosphère et des couches internes de la Terre pourraient affecter une particule de matière noire traversant notre planète jusqu’au détecteur. L’équipe a travaillé avec des géologues qui ont déterminé la composition exacte du sol et de la roche entourant le détecteur de la mine Soudan au Minnesota.

Avec ces informations, l’équipe pourrait fixer des limites supérieures pour la force d’interaction de la matière noire en fonction de la provenance de la particule, que ce soit directement au-dessus du détecteur ou de l’autre côté de la Terre.

Après avoir analysé les données SuperCDMS avec les nouveaux modèles établis par les effets Bremsstrahlung et Migdal et les nouvelles limites supérieures, l’équipe a pu élargir la gamme de masses de particules auxquelles l’expérience était sensible mais n’a trouvé aucune preuve d’interactions avec la matière noire. Néanmoins, l’analyse représente l’une des recherches les plus sensibles sur la matière noire ultra-légère et a aidé les chercheurs à obtenir plus d’informations à partir des données existantes.

« Nous avons beaucoup investi dans cette expérience, nous voulons donc en tirer le meilleur parti possible », a déclaré Jardin. « Nous ne connaissons vraiment pas la masse de matière noire, et nous ne savons pas comment elle interagit avec la matière. Nous cherchons juste à atteindre l’obscurité, du mieux que nous pouvons. »