Publié le 2025-10-08 07:12:00. Au plus profond du Dakota du Sud, l’expérience Lux-Zeplin (LZ) a établi un nouveau record en matière de sensibilité dans la quête de particules invisibles composant la majorité de l’univers. Ce détecteur de pointe se rapproche de la compréhension de la matière noire, l’un des plus grands mystères cosmologiques.
- L’expérience LZ, le détecteur de matière noire le plus sensible au monde, a exclu une partie importante des candidats théoriques pour cette substance insaisissable.
- Situé à près d’un kilomètre sous terre, le détecteur utilise du xénon liquide ultra-pur pour capturer des interactions infimes, tandis que des systèmes sophistiqués filtrent les perturbations.
- Les scientifiques ont analysé 280 jours de données, avec un objectif d’un total de 1 000 jours d’ici la fin de l’expérience en 2028.
La nature exacte de la matière noire, cette composante invisible qui représente la majeure partie de la masse de l’univers, demeure un défi majeur pour la physique moderne. Malgré son rôle crucial dans la formation et la cohésion des structures galactiques, sa détection directe a toujours échoué. L’expérience Lux-Zeplin (LZ) se concentre sur les candidats les plus probables : les particules massives à interaction faible, connues sous le nom de WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles).
« Bien que nous espérions découvrir de nouvelles particules, il est tout aussi important pour la physique des particules de pouvoir établir des limites sur ce qu’est exactement la matière noire », a déclaré Hugh Lippincott, physicien à l’UC Santa Barbara.
Pour mener ses recherches, l’expérience Lux-Zeplin est installée à près d’un kilomètre sous la surface, au Sanford Underground Research Facility (SURF) dans le Dakota du Sud. Cet enfouissement permet de la protéger des rayonnements cosmiques de fond, une source majeure de bruit pour ce type de détection. L’analyse la plus récente des 280 jours de données collectées (incluant 220 jours de la période mars 2023-avril 2024 et 60 jours de la phase initiale) a permis de resserrer les contraintes sur les propriétés des WIMPs.
Au cœur du détecteur LZ se trouvent deux réservoirs en titane contenant 10 tonnes de xénon liquide ultra-pur. Cet environnement est conçu pour détecter le moindre éclair de lumière, signe potentiel de la collision d’un WIMP avec un noyau de xénon. Une couche externe, le détecteur externe (OD), remplie d’un fluide scintillateur enrichi au gadolinium, joue un rôle clé dans la distinction des signaux d’origine des bruits de fond.
La sensibilité exceptionnelle du détecteur LZ est le fruit de multiples stratégies visant à minimiser les perturbations. Sa localisation souterraine le protège des rayons cosmiques. Pour réduire le rayonnement naturel émanant des matériaux environnants, le détecteur est construit à partir de milliers de composants sélectionnés pour leur très faible niveau de radioactivité. La conception est pensée en couches successives, comme un oignon, chaque strate bloquant les rayonnements extérieurs ou les particules parasites afin de supprimer les faux signaux. Une analyse de données sophistiquée complète ce dispositif pour éliminer les interactions ne provenant pas de la matière noire.
Les neutrons constituent l’une des principales perturbations dans la recherche de signaux WIMPs, car ces particules subatomiques interagissent avec les noyaux de xénon en produisant un signal identique à celui attendu d’un WIMP. « Ce qui complique la tâche avec les neutrons, c’est qu’ils interagissent également avec le noyau de xénon, produisant exactement le même signal que nous attendons des WIMPs », explique Trask. Le détecteur externe (OD) est très efficace pour identifier ces neutrons et, en l’absence de signal dans cette couche, confirmer la détection potentielle d’un WIMP. Autrement dit, une impulsion dans l’OD invalide un candidat signal WIMP pourtant prometteur.
Le radon est une autre source de confusion potentielle. « Le radon subit une série de désintégrations dont certaines pourraient être interprétées à tort comme provenant de WIMPs », a précisé Bargemann. « L’une de nos réussites majeures durant cette phase est d’avoir pu observer l’ensemble de la chaîne de désintégration du radon dans le détecteur, nous permettant de le reconnaître et d’éviter les confusions avec les WIMPs. »
Pour garantir l’objectivité des résultats et éviter tout biais inconscient, l’équipe LZ a recours à une technique appelée « salage » (salting). Elle consiste à introduire de faux signaux WIMPs dans les données pendant leur collecte. Les données originales sont ainsi « déguisées » jusqu’à l’étape finale de l’analyse, assurant que celle-ci est réalisée à l’aveugle, sans influence de perceptions humaines. « Nous poussons les limites de recherche dans une zone jamais explorée auparavant par l’humanité pour trouver de la matière noire », a affirmé Haselschwardt. « Il existe une tendance naturelle chez les humains à vouloir identifier des motifs dans les données ; il est donc crucial de s’assurer qu’aucun biais ne s’y infiltre. Quand on pense avoir trouvé quelque chose, il faut être certain que c’est réel. »
Ces derniers résultats continuent de réduire drastiquement les possibilités concernant la nature des WIMPs, aidant ainsi les scientifiques du monde entier à concentrer leurs efforts de recherche et à écarter les pistes erronées dans leur quête de compréhension de l’univers.
« Nos expériences sont également sensibles à des événements rares provenant de divers domaines de la physique, tels que les neutrinos solaires, la désintégration d’isotopes du xénon ou d’autres types de matière noire », a souligné Chami Amarasinghe. « Forts de ce résultat solide, je suis très impatient d’élargir le champ de recherche. » Le physicien Harry Nelson a rappelé la longue histoire de l’UC Santa Barbara dans la recherche sur la matière noire, débutée en 1988, citant des précurseurs comme David Caldwell, Michael Asherell et David Hale, qui ont initié des techniques de détection modernes. « L’UC Santa Barbara, grâce à un soutien académique et privé, a grandement contribué au projet LZ », a-t-il précisé.
L’expérience LZ est le fruit d’une collaboration impliquant environ 250 scientifiques issus de 38 institutions aux États-Unis, au Royaume-Uni, au Portugal, en Suisse, en Corée du Sud et en Australie. Une grande partie du travail d’assemblage, d’exploitation et d’analyse est menée par de jeunes chercheurs. Cette équipe internationale prépare déjà l’analyse de la prochaine série de données, en développant de nouvelles méthodes pour identifier plus clairement la matière noire. Ils envisagent également d’augmenter la capacité du détecteur LZ et travaillent à la conception d’un détecteur de nouvelle génération, baptisé XLZD.
Le projet LZ est soutenu par le Département de l’Énergie des États-Unis, le Bureau des Sciences, et le National Energy Research Scientific Computing Center. Un soutien additionnel provient du Science & Technology Facilities Council (Royaume-Uni), de la Fondation portugaise pour la science et la technologie, du Fonds national suisse pour la science, et de l’Institute for Basic Science (Corée).
Pas moins de 38 établissements d’enseignement supérieur et de recherche ont contribué à ce projet d’envergure. L’installation de recherche souterraine Sanford s’est révélée un partenaire essentiel, soutenant toutes les activités du projet LZ et de l’équipe de l’UC Santa Barbara.