L'expérience LUX-ZEPLIN rapporte un événement anormal dans la recherche de matière noire, des données supplémentaires sont nécessaires pour confirmation

Le 1er septembre, l'expérience de détection directe de matière noire LUX-ZEPLIN (LZ) a publié une nouvelle analyse : les chercheurs ont enregistré un événement d'interaction à particule unique dans les données, dont les caractéristiques peuvent être interprétées comme un signal de particule massive à interaction faible (WIMP), mais les preuves actuelles sont insuffisantes pour confirmer la découverte de matière noire.

Le détecteur principal de LUX-ZEPLIN, avant son installation sous terre, se trouvait dans un laboratoire en surface. (Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility)

L'expérience LZ implique environ 250 scientifiques et ingénieurs de 39 institutions, le détecteur étant situé à près d'un mile sous terre au Sanford Underground Research Facility dans le Dakota du Sud, aux États-Unis, et géré par le Lawrence Berkeley National Laboratory du Département de l'Énergie des États-Unis. L'expérience utilise 10 tonnes de xénon liquide ultra-pur comme milieu de détection, principalement pour rechercher le WIMP, particule candidate théorique de la matière noire.

Ces résultats sont basés sur 220 jours ouvrables de données collectées entre mars 2023 et avril 2024. L'équipe de recherche indique que cette analyse ne se limite plus au modèle d'interaction WIMP le plus simple, mais s'étend à des types d'interactions susceptibles de déposer davantage d'énergie dans le détecteur. Les résultats ont été présentés lors de la conférence TeV Particle Astrophysics 2026 tenue au Japon, et l'article sera publié sur arXiv et soumis à Physical Review Letters.

Pour rechercher la matière noire, LZ utilise des tubes photomultiplicateurs (illustrés ici avant leur installation dans le détecteur) pour capturer la lumière produite par les interactions de particules. (Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility)

Les chercheurs soulignent que cet événement apparaît dans la région où un signal de matière noire est attendu, avec un niveau de bruit de fond correspondant très faible. Cependant, il n'existe actuellement qu'un seul événement candidat, avec une signification de 2,6σ, inférieure au seuil de 5σ habituellement requis en physique pour confirmer une découverte majeure. En d'autres termes, cet événement a encore environ 0,5 % de probabilité d'être expliqué par le bruit de fond radiatif connu.

Si cet événement anormal est effectivement causé par la matière noire, la masse du WIMP correspondant serait d'au moins 200 GeV/c², soit plus de 200 fois la masse du proton, et pourrait impliquer une forme d'interaction entre les WIMP et la matière ordinaire au-delà du modèle le plus simple.

LZ utilise une chambre cylindrique remplie de xénon liquide pour rechercher la matière noire. La chambre est entourée de couches supplémentaires pour détecter ou bloquer les particules de bruit de fond (image de gauche). Lorsqu'une particule massive à interaction faible (WIMP) entre en collision avec un atome de xénon (image de droite), un flash lumineux et des électrons sont émis. Ces flashs sont détectés en haut et en bas de la chambre à xénon liquide. Un champ électrique fait dériver les électrons vers le haut de la chambre, où ils produisent un second flash. (Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)

Le détecteur LZ recherche la matière noire en capturant les signaux lumineux et électroniques produits lorsque des particules déposent de l'énergie dans le xénon liquide. Pour réduire les interférences, l'expérience utilise la roche souterraine pour se protéger des rayons cosmiques, ainsi que des réservoirs d'eau, des détecteurs externes et des outils d'analyse computationnelle pour exclure les signaux de bruit de fond provenant des interactions de la matière ordinaire. L'équipe du Brookhaven National Laboratory du Département de l'Énergie des États-Unis a également développé et fourni 20 tonnes de scintillateur liquide dopé au gadolinium pour les composants clés du détecteur, afin d'aider à identifier et exclure les signaux parasites.

La collaboration LZ indique que les données ultérieures détermineront si ce signal anormal se renforce progressivement ou disparaît avec l'augmentation des statistiques. L'expérience poursuit actuellement la collecte de données de recherche de WIMP au Sanford Underground Research Facility afin d'améliorer encore la sensibilité statistique de la détection directe de matière noire.