Le 16 juin 2023, un noyau de xénon a reculé sous l’effet d’un choc, à plus d'un kilomètre sous le Dakota du Sud. Les physiciens de l’expérience LUX-ZEPLIN estiment à 99,5 % la probabilité que ce choc provienne d’une particule de matière noire jamais observée jusque-là. Le résultat est toutefois loin du seuil statistique retenu pour parler de découverte.
La matière noire agirait comme une colle invisible. Sans elle, les galaxies se déchireraient sous l’effet de leur rotation, selon les astrophysiciens. Elle représenterait 85 % de la matière de l’univers, mais n’a jamais été capturée par un instrument. L’hypothèse d’une masse invisible date des années 1930, celle d'une particule des années 1970.
Les particules massives interagissant faiblement, plus connues sous leur acronyme anglais WIMP, sont l’un des candidats les mieux placés. Elles traverseraient presque toujours la matière ordinaire sans laisser de trace. Pour les repérer, les physiciens de la collaboration LUX-ZEPLIN ont rempli de xénon liquide un réservoir installé au Sanford Underground Research Facility, dans le Dakota du Sud. Le laboratoire est situé à 1 480 mètres sous une ancienne mine d’or, à l’abri du rayonnement cosmique. Les chercheurs collectent des données dans ce laboratoire depuis décembre 2021.
Les physiciens ont vérifié leurs données à l’aveugle avant de les lire
Chaque choc entre une particule et un noyau de xénon produit un premier éclair de lumière. Une salve d’électrons remonte ensuite vers le sommet du réservoir et produit un second éclair. Le rapport entre les deux flashs indique la nature de la collision. Le 16 juin 2023, ce genre de choc a produit une énergie de 248 kiloélectronvolts.
Pour les physiciens, il s'agit d'un WIMP d'au moins 200 fois la masse d'un proton, selon leurs prévisions théoriques. « Après un long travail de notre équipe d'analyse, il nous est finalement apparu que nous avions peut-être trouvé quelque chose de spécial », rapporte Samuel Eriksen, physicien à l’université de Bristol et membre de l’équipe de recherche. Deux de ses collègues tempèrent aussitôt l’enthousiasme. « Il y a évidemment beaucoup d'enthousiasme, mais nous devons aussi rester prudents », indique Daniel Akerib, physicien des particules à l'université Stanford. « Il s’agit d'une anomalie séduisante, pas d'une preuve », complète Chamkaur Ghag, physicien à l’University College de Londres et membre de l'équipe de recherche.
Avant même de lever l’anonymat des données, les chercheurs avaient glissé sept faux événements simulés au sein des mesures réelles, une méthode appelée « salting », pour vérifier qu’ils ne se laisseraient pas abuser par un signal fabriqué. Ils ont repéré quatre de ces faux signaux avant la levée du secret. Ils n’ont en revanche trouvé aucune explication à l’événement dans les scénarios de bruit de fond envisagés, des neutrons parasites aux neutrinos solaires. Pour l’interpréter, les chercheurs ont comparé 616 modèles théoriques de WIMP, avec des masses de particule et des types d’interaction variés.
Les concepteurs du projet XLZD devront affronter les neutrinos solaires
Statistiquement, cet événement n’est pas une découverte définitive. Les physiciens évaluent à 1 chance sur 200 la probabilité que le signal provienne d’une simple collision avec une particule ordinaire, un niveau jugé trop élevé pour trancher. Pour parler de découverte, cette probabilité devrait diminuer jusqu’à 1 chance sur 3,5 millions, le seuil connu sous le nom de 5-sigma. D’autres hypothèses concurrentes subsistent, notamment les axions et des trous noirs primordiaux de la taille d’un atome, apparus dans les premières secondes de l'’univers.
Malgré cette réserve, les chercheurs de LZ prévoient de poursuivre la collecte de données, avec un objectif de 1 000 jours de mesure contre 220 aujourd’hui. Les concepteurs de la prochaine génération de détecteurs devront toutefois affronter un nouvel obstacle. Sous les Apennins italiens, les physiciens de l’expérience concurrente XENONnT ont publié, le 28 août 2026, un résultat dans Physical Review Letters, obtenu avec 93 % de données supplémentaires par rapport à leur précédente campagne. Sa sensibilité n’a pourtant progressé que de 10 %. Les neutrinos produits par le Soleil percutent eux aussi les noyaux de xénon, avec des reculs impossibles à séparer d'un signal de matière noire. Nés de la fusion du bore 8 au cœur du Soleil, ces neutrinos déposent, au moment du choc, une énergie comprise entre 1 et 6 kiloélectronvolts. Cette énergie ressemble à celle attendue pour un WIMP léger. Aucun blindage ne peut les arrêter, car ces particules traversent la Terre presque sans interagir. Les physiciens appellent ce phénomène le brouillard de neutrinos. À cause de lui, la sensibilité des détecteurs au xénon plafonne déjà.
Les physiciens du projet XLZD veulent malgré tout construire un détecteur contenant dix fois plus de xénon liquide que LUX-ZEPLIN, pour la décennie 2030. « Lorsque vous avez passé des années à identifier tous les tours que peut vous jouer votre détecteur, puis qu'un événement survient et échappe à toutes les explications que vous lui trouvez, c'est là que la physique devient intéressante », a déclaré Chamkaur Ghag, de l’University College de Londres.
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