Matière noire : une trace enfin repérée au fond d’une mine d’or ?

Regardez le ciel lors d'une nuit bien dégagée : tout ce que vous voyez, étoiles, planètes, galaxies, ne représente qu'une petite partie de ce qui compose réellement l'Univers. L'immense majorité de sa masse serait en fait constituée d'une substance invisible, la matière noire, qui n'émet, n'absorbe ni ne reflète la lumière. Mais si on ne la voit pas, on peut tout de même deviner sa présence. Car sans elle, les galaxies tourneraient trop vite sur elles-mêmes et se disloqueraient.

C'est pourquoi la récente « trouvaille » des chercheurs en charge de l'expérience LUX-ZEPLIN (LZ) est plus qu'intéressante. Ils indiquent, en effet, avoir enregistré une interaction de particule dont ils n'arrivent pas à identifier la cause. Rien, dans le bruit de fond connu de la matière ordinaire, ne semble pouvoir l'expliquer. Ce serait, à ce jour, l'indice le plus solide jamais obtenu en faveur d'une détection directe de matière noire.

Comment « voir » l'inobservable ?

Les chercheurs restent toutefois très prudents : « Nous ne prétendons pas avoir vu de la matière noire », indique Rick Gaitskell, professeur de physique à l'université Brown et porte-parole de LZ. « Mais nous avons vu quelque chose d'intéressant et nous voulons le partager avec la communauté scientifique. »

Par « Voir » de la matière noire, on ne veut pas dire l’observer au microscope ou au télescope. Les physiciens surveillent plutôt des particules théoriques appelées WIMP, qui subissent la gravité mais ignorent la lumière, et n'entrent en contact avec la matière ordinaire qu'exceptionnellement. Des milliards d'entre elles traverseraient la Terre en permanence sans laisser la moindre trace, l'idée consiste donc à guetter la collision rarissime de l'une d'entre elles avec le noyau d'un atome. Ce qui libère alors un peu d'énergie que l'on peut détecter.

Pour capter ce genre d'événement, LZ utilise une cuve de 10 tonnes de xénon liquide, truffée de capteurs chargés de repérer les éclairs de lumière produits par un tel choc. Le tout est installé à près de 1,6 km sous terre, dans une ancienne mine d'or du Dakota du Sud, afin d'être protégé des rayons cosmiques et des autres signaux parasites.

Des résultats à confirmer ou infirmer

L'équipe a passé au crible des données récoltées par son instrument entre 2023 et 2024, en explorant une gamme d'interactions plus énergétiques que d'habitude. Et bingo : le 16 juin 2023, un noyau de xénon a produit un éclair lumineux bien spécifique. Un événement très rare, situé pile là où la matière noire est censée se manifester.

Si l'événement provient bien d'un de ces WIMP, la particule en question pèserait au moins 200 fois la masse d'un proton. De quoi commencer, enfin, à dresser le portrait de la matière noire : sa masse, sa façon d'interagir avec la matière ordinaire, et plus encore. Autant d'informations qui manquent, à ce jour, cruellement aux scientifiques.

Ce signal soulève par ailleurs une nouvelle énigme, puisqu'il est étonnamment énergétique. Normalement, le détecteur aurait dû enregistrer avant lui plusieurs événements moins puissants, ce qui n'a pas été le cas. Il faudra donc soit revoir la façon dont ces particules interagissent avec la matière, soit chercher une explication ailleurs.

Attention toutefois : avec un seul événement, on est encore loin de la validation scientifique. Pour cela, LUX-ZEPLIN va devoir continuer à observer l'inobservable, et deux expériences concurrentes, PandaX en Chine et XENONnT en Italie, vont chercher à confirmer ou infirmer ses résultats. Il n'y a plus qu'à voir si le 16 juin 2023 marquera un moment clé dans la recherche sur la matière noire, ou la découverte de tout autre chose.

Source : Brown University