Enfoui à plus d’un kilomètre sous la surface et possédant une sensibilité des dizaines de fois supérieure à celle de ses prédécesseurs, le détecteur de matière noire le plus puissant au monde a récemment débuté sa délicate quête.
L’insaisissable matière noire
Depuis la mise en évidence d’importantes disparités entre nos observations de l’Univers et les prévisions du modèle standard il y a près d’un siècle, un nombre croissant de preuves suggère l’existence d’une énorme quantité de matière invisible. En dépit de son influence gravitationnelle majeure, celle-ci continue d’échapper à toute détection directe.
Et ce n’est pas faute d’avoir essayé. Au fil des décennies, de nombreuses expériences ont cherché des signes de matière noire de diverses manières, sans résultats. Toutefois, ces expériences ont permis d’exclure des particules candidates présentant une certaine masse ou d’autres propriétés, réduisant ainsi le terrain de chasse pour la prochaine génération de détecteurs.
Nettement plus sensible que ses prédécesseurs, l’expérience LUX-ZEPLIN (LZ) recherche un type spécifique de candidats à la matière noire : les particules massives à faible interaction (WIMP). Présentes depuis les débuts de l’Univers, celles-ci auraient persisté et interagiraient avec la matière ordinaire par le biais de la gravité et de la force nucléaire faible, produisant les anomalies astronomiques associées à la matière noire.
Bien que ces WIMPs aient généralement tendance à « ignorer » la matière standard lorsqu’ils circulent dans le cosmos, il arrive qu’ils se heurtent au noyau d’un atome, produisant un signal détectable avec l’équipement adéquat.
Des améliorations majeures
L’expérience LZ implique un énorme volume d’atomes sur lequel les WIMPs peuvent s’écraser, ainsi que toute une batterie de détecteurs pour surveiller ces événements. La cible est une cuve de xénon liquide ultra-pur. Si un WIMP errant le perturbe, il émet un flash lumineux et libère un électron, deux phénomènes qui peuvent être détectés par les capteurs du réservoir.
S’appuyant largement sur les infrastructures des précédentes expériences, cette installation se trouvant à 1,5 km de la surface est entourée d’un grand réservoir d’eau, afin de la protéger d’autres particules comme les neutrons, qui pourraient produire des faux positifs.
Elle bénéficie d’une cuve de xénon beaucoup plus grande (pouvant en contenir 7 tonnes contre 370 kilos pour l’expérience initiale LUX) pour la détection active, ce qui augmente considérablement sa sensibilité. Le réservoir d’eau l’entourant accueille également un nouvel ensemble de capteurs, détectant plus efficacement le passage de particules connues.
Une sensibilité sans égale
Au total, ces avancées rendent LZ plus de 50 fois plus sensible que les expériences précédentes et lui permettent de revendiquer le titre de détecteur de matière noire le plus puissant au monde.
Si ses 60 premiers jours de fonctionnement n’ont pas permis la détection d’un excès d’évènements par rapport au bruit de fond prévu, il ne s’agit que du début de sa quête de signes de matière noire : il est prévu que l’expérience recueille des données pendant un total de 1 000 jours. Les résultats de cette première session ont été pré-publiés sur le serveur ArXiv.
