À 1,6 km sous terre, un détecteur géant traque la matière noire

La quête de la matière noire, composante mystérieuse de l’Univers, franchit une étape majeure grâce aux résultats récents d’un détecteur ultra-sensible. Les scientifiques repoussent les limites de notre compréhension cosmologique amenant peut-être à de nouvelles découvertes fascinantes.

Les chercheurs du projet LUX-ZEPLIN (LZ), mené par le Lawrence Berkeley National Laboratory, ont réalisé un progrès considérable dans la traque des WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), candidats principaux pour expliquer la matière noire. Les Drs Jim Dobson, Albert Baker et la doctorante Catherine Lawes ont collaboré avec une équipe internationale pour réduire d’un facteur cinq la zone potentielle où les WIMPs pourraient se cacher.

L’importance capitale de la recherche sur la matière noire

La matière noire, bien qu’invisible et non observée directement, jouerait un rôle prépondérant dans la composition de l’Univers. Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, elle pourrait représenter jusqu’à 85% de la masse totale de l’Univers. Les WIMPs, particules hypothétiques nées aux premiers instants de l’Univers, auraient une masse comprise entre celle d’un proton et quelques milliers de protons.

Le Dr Jim Dobson a souligné l’enjeu considérable de la recherche sur la matière noire : «La recherche sur la matière noire pourrait aider à expliquer certains aspects fondamentaux de notre Univers, de la vitesse de rotation des galaxies à la formation de la structure de l’Univers. Par conséquent, pour des expériences de recherche d’événements rares comme celle-ci, une poignée d’événements pourrait vous indiquer que vous avez trouvé de la matière noire.»

Il a ajouté : «Étant donné l’importance des enjeux, il faut avoir la certitude de la qualité de votre analyse et de la robustesse de vos lectures. C’est ainsi que l’on instaure la confiance au sein de la communauté scientifique et que l’on s’assure que lorsque l’on trouve enfin quelque chose, les gens y prêtent attention.»

Le détecteur LZ : une prouesse technologique

Le détecteur LZ, situé à plus d’un kilomètre sous terre dans le Sanford Underground Research Facility au Dakota du Sud, vise à détecter les WIMPs en mesurant leurs interactions avec un réservoir de 10 tonnes de xénon liquide. Sa profondeur limite l’impact des rayons cosmiques, source de bruit de fond pour les mesures.

Le dispositif, le plus grand de son genre, est équipé de panneaux réfléchissants spécialement conçus et de détecteurs sensibles capables de capter la lumière et les électrons émis lors des collisions entre les particules de matière noire et les atomes de xénon. Bien qu’aucun candidat de matière noire n’ait été observé durant les 280 jours de collecte de données, l’absence de signal a permis de restreindre considérablement les caractéristiques possibles de la particule de matière noire.

Le professeur Scott Kravitz de l’Université du Texas à Austin et coordinateur adjoint de la physique à LZ a conclu : «Si l’on compare la recherche de matière noire à la recherche d’un trésor enfoui, nous avons creusé presque cinq fois plus profondément que quiconque par le passé. Ce n’est pas quelque chose que l’on fait avec un million de pelles – on le fait en inventant un nouvel outil.»

Le projet LZ rassemble 250 scientifiques, ingénieurs et personnels de soutien de différents pays, dont les États-Unis, le Royaume-Uni, le Portugal, la Corée du Sud, l’Australie et la Suisse. La collaboration envisage maintenant d’améliorer leur conception dans un détecteur de matière noire de nouvelle génération appelé XLZD, en s’associant à des collaborateurs d’autres expériences sur la matière noire basées sur le xénon pour explorer les modèles de WIMPs restants et d’autres candidats potentiels de matière noire.

Légende illustration : Le détecteur central du LUX-ZEPLIN, la chambre de projection temporelle, dans une salle blanche du laboratoire de surface avant sa livraison sous terre. Crédit : Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility