Le détecteur de matière noire le plus puissant au monde donne ses premiers résultats!

LUX-ZEPLIN (LZ) est une expérience de physique qui a réuni environ 250 scientifiques de 35 laboratoires aux États-Unis, au Royaume-Uni, au Portugal et en Corée du Sud. Elle est située à environ 1,6 kilomètre sous terre, au Sanford Underground Research Facility, dans le Dakota du Sud.

LUX-ZEPLIN (LZ) est une expérience de détection de matière noire de deuxième génération. Le détecteur, désormais considéré comme le plus sensible au monde, a livré, il y a quelques jours, ses premiers résultats scientifiques.

La matière noire est un type hypothétique de matière qui représente près de 27 % de la densité d’énergie de notre univers ; il sera donc beaucoup plus abondant que la matière ordinaire. Son existence se manifeste principalement par des effets gravitationnels au sein des galaxies ou favorables aux galaxies ; c’est aussi la source des oscillations observées dans le rayonnement du fond diffus cosmologique. Cependant, malgré des décennies de recherche, les particules de matière noire restent invisibles et leur nature reste donc un mystère (d’où leur nomination de « matière noire »).

En effet, ils sont très difficiles à détecter car ils interagissent très peu avec les substances normales. Néanmoins, les scientifiques essaient de construire des détecteurs plus sensibles que jamais. Le détecteur LZ combine les techniques les plus efficaces des deux expériences précédentes, LUX (large underground xenon) et ZEPLIN (ZonEd proportional scintillation in liquid noble gas). Celles-ci n’étaient pas destinées à révéler la matière noire, mais leur extrême sensibilité a néanmoins conduit à la découverte de quelques hypothèses. Le LZ est conçu pour augmenter sa sensibilité de plus de 50 fois.

Détecteur isolé des rayonnements parasites

L’expérience LUX-ZEPLIN est menée par le Lawrence Berkeley National Laboratory. Après des années de planification et de construction, l’équipe a subi une série de tests pendant plus de trois mois. Ils prétendent maintenant que ce détecteur est le plus sensible au monde. Si la matière noire est en fait composée de particules de masse à faible interaction (WIMP), la LZ pourrait probablement faire sa première découverte dans les années à venir, comme le suggère la théorie. « L’équipe LZ a maintenant l’instrument le plus ambitieux en main pour y arriver », dit Nathalie Palanque-Delabrouille, directeur de la division de physique du Berkeley Lab.

L’installation se compose de deux réservoirs remplis de titane remplis de 10 tonnes de xénon liquide très pur et est observée par deux photomultiper arrays (PMT) (détecteurs de photons à haute sensibilité). Les réservoirs sont également immergés dans des réservoirs d’eau purifiée et enfouis profondément sous terre pour recevoir des rayons cosmiques ou d’autres rayonnements « diffusés » qui peuvent masquer des signes de matière noire. Les particules de matière noire interagissent très peu avec la matière baryonique, mais on pense que la probabilité d’interaction est non nulle. Il pourrait simplement s’agir d’une particule qui entre en collision avec un atome de xénon.

Alternativement, le xénon liquide émet un flash de lumière lorsqu’il est touché par une particule. C’est le flash que PMT enregistre immédiatement. Les WIMP devraient théoriquement produire le même effet. Le chercheur enregistre alors le signal initial basé sur ce photon de scintillation. De plus, l’atome touché doit entrer en collision avec un atome adjacent et s’émettre par le passage d’électrons. Ces électrons sont dirigés vers la surface du liquide par un champ électrique. En atteignant la surface où ils rencontrent une fine couche de xénon gazeux, ils créent une nouvelle lueur.

Le meilleur espoir est de découvrir la matière noire

Ainsi, chaque collision produit deux signaux optiques consécutifs, qui sont détectés par un PMT sensible placé autour du détecteur. L’analyse de leurs propriétés permet de caractériser les interactions, notamment leur localisation exacte et les propriétés des particules impliquées.

Après trois mois de tests, l’équipe n’a pas été en mesure de collecter suffisamment de données pour détecter la matière noire. Néanmoins, ces tests préliminaires concluent que cet appareil est l’appareil le plus sensible jamais fabriqué. Celle-ci est prête à agir et pourra fournir les premières preuves de l’existence de cette matière exotique dans les mois ou années à venir. « Nous sommes censés collecter environ 20 fois plus de données dans les années à venir, nous ne faisons donc que commencer. Il y a beaucoup de science à faire et c’est très excitant », dit Hugh Lippincottle, porte-parole de la collaboration LZ.

C’était une première pour les scientifiques qui ont travaillé sur ce projet : l’installation était très compliquée, et maintenant ils constatent que tous les composants fonctionnent parfaitement bien. « Compte détenu du fait que nous ne l’avions pas mis en place il y a quelques mois et pendant les restrictions imposées par le COVID-19. il est impressionnant que nous soyons déjà d’accord avec des résultats aussi significatifs » souligne Aaron Manalaysay, du Berkeley Lab, coordinateur de physique du LZ.

Après avoir confirmé que le LZ et son système fonctionnent correctement, l’équipe est ravie de commencer des observations à grande échelle dans l’espoir que des particules de matière noire entreront bientôt en collision avec des atomes de xénon. Et nous pouvons enfin résoudre le mystère de la « matière manquante » de l’univers.

Bruno Mariotti

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