Un Signal Étrange Détecté par le Détecteur de Matière Sombre LUX-ZEPLIN
Pour près d’un siècle, les scientifiques tentent d’identifier la matière sombre, cette matière invisible censée représenter environ 85 % de toute la matière dans l’univers. Ses effets gravitationnels sont visibles à travers le cosmos, mais aucun expériment n’a encore détecté directement cette substance. Comprendre de quoi est faite la matière sombre reste l’un des problèmes non résolus les plus importants de la physique moderne.
Une nouvelle analyse de l’expérience LUX-ZEPLIN (LZ) a révélé un événement particulièrement intrigant. Les chercheurs ont enregistré une interaction de particules unique qui s’avère difficile à expliquer par les signaux de fond connus produits par la matière ordinaire. Bien que cette découverte ne soit pas suffisamment solide sur le plan statistique pour être considérée comme une découverte, les chercheurs affirment qu’elle représente le signal potentiel de matière sombre le plus convaincant rapporté par LZ jusqu’à présent.
LZ est un projet international impliquant 250 scientifiques et ingénieurs de 39 institutions. L’expérience est gérée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Département américain de l’énergie et fonctionne à près d’un mile sous terre au Sanford Underground Research Facility (SURF) dans le Dakota du Sud. Au cœur du détecteur se trouvent 10 tonnes de xénon liquide extrêmement pur, principalement conçues pour rechercher des WIMPs, ou particules massives faiblement interactives, l’un des principaux candidats proposés pour expliquer la matière sombre.
Les résultats récents ont été présentés lors d’une conférence scientifique sur l’astrophysique des particules à 2026 TeV au Japon. Le document sera également publié sur arXiv et soumis à la revue Physical Review Letters.
Rick Gaitskell, professeur à l’Université Brown et porte-parole de LZ, a déclaré : « Nous sommes très intrigués par cet événement dans les données, dans la région où nous nous attendons à ce que la matière sombre apparaisse et où les fonds concurrents sont très faibles. Avec un seul événement, nous ne voulons pas nous avancer trop vite. Nous ne prétendons pas avoir vu de la matière sombre. Mais nous avons vu quelque chose d’intéressant que nous voulons partager avec la communauté scientifique pour obtenir leur avis. »
La collaboration LZ examine ses résultats expérimentaux par lots. Pour cette dernière étude, les scientifiques ont analysé 220 jours d’observation en direct recueillis entre mars 2023 et avril 2024. Les chercheurs ont élargi leur recherche pour inclure une plus grande variété d’interactions possibles des WIMPs capables de déposer de plus grandes quantités d’énergie à l’intérieur du détecteur.
Si la matière sombre a vraiment produit le signal inhabituel, le WIMP responsable aurait probablement une masse d’au moins 200 GeV/c² (gigaélectronvolts), ce qui le rendrait plus de 200 fois plus massif qu’un proton. Toutefois, les scientifiques restent prudents, car la physique des particules exige qu’un résultat atteigne une signification statistique de « 5-sigma » avant d’être considéré comme une découverte. La nouvelle découverte de LZ est actuellement à 2,6 sigma, ce qui correspond à environ 0,5 % de chances que l’événement inhabituel puisse être produit par des sources de fond connues.
Des observations supplémentaires seront cruciales. Alors que LZ continue de collecter des données, les scientifiques pourront déterminer si la signification statistique de l’événement augmente ou si le signal apparent finit par disparaître. LZ a déjà constitué le plus grand ensemble de données au monde pour les recherches sur la matière sombre et continuera à rassembler des données sur les WIMPs à SURF, offrant aux chercheurs des statistiques beaucoup plus solides à l’avenir.
L’expérience recherche la matière sombre en observant les éclats de lumière caractéristiques créés lorsque des particules déposent de l’énergie à l’intérieur du détecteur. Le défi est que la matière ordinaire peut également produire des interactions de particules. LZ utilise donc plusieurs couches de protection et d’analyse pour identifier ces événements de fond et éviter qu’ils ne soient confondus avec de la matière sombre.
Le signal inhabituel a attiré une attention particulière car, jusqu’à présent, il n’a pas révélé les types de problèmes que les scientifiques trouvent normalement lorsqu’ils examinent un outlier de plus près. Aaron Manalaysay, physicien au Berkeley Lab et président du conseil institutionnel de LZ, a déclaré : « Les événements outliers dans les données ne sont pas inattendus, mais ils se distinguent généralement comme un fond de quelque sorte lorsque vous les examinez plus en profondeur. C’est le premier exemple dans n’importe quelle expérience à laquelle j’ai participé d’un outlier qui semble valide à tous égards. »
Pour l’heure, un événement inexpliqué ne suffit pas à affirmer que la matière sombre a enfin été détectée. Cependant, parce que le signal est apparu dans une région où la matière sombre pourrait être attendue et a survécu à un examen approfondi, les chercheurs estiment qu’il mérite une attention particulière alors que l’expérience continue de collecter des données.
L’expérience LZ bénéficie du soutien du Département américain de l’énergie, du Bureau de la science, du Bureau de la haute énergie et de la physique nucléaire, ainsi que du National Energy Research Scientific Computing Center. Un soutien supplémentaire provient du Conseil des installations scientifiques et technologiques du Royaume-Uni, de la Fondation portugaise pour la science et la technologie, de la Fondation nationale suisse pour la science, du Centre d’excellence de l’Australian Research Council pour la physique des particules de matière sombre, et de l’Institut pour la science fondamentale, en Corée. Trente-neuf institutions d’enseignement supérieur et de recherche avancée ont soutenu LZ.
Source : LUX-ZEPLIN Collaboration
