Plongée historique sous terre : des chercheurs percent un secret cosmique, traquant les particules fantômes qui gouverneraient l’univers. Dans l’ombre d’un silo à mille mètres sous terre, la course à la matière noire vient de franchir un seuil inédit. Suivez la lumière vacillante des détecteurs du Dakota du Sud dans cette exploration scientifique hors norme !

La matière noire : star invisible de l’univers et défi de la physique moderne

On aimerait bien l’apercevoir, cette mystérieuse matière noire, supposée constituer la majeure partie de la masse du cosmos, mais voilà : elle a l’art de se dérober à la moindre tentative de selfie scientifique. Pourtant, depuis des décennies, les physiciens ne ménagent pas leurs efforts pour comprendre ses secrets, convaincus de son existence car, sans elle, nos galaxies ne tiendraient tout simplement pas debout (désolé Newton !).

Pour aller plus loin, le projet LUX-ZEPLIN (ou LZ, pour les intimes), considéré comme le détecteur de matière noire le plus sensible au monde, se terre (littéralement) au Sanford Underground Research Facility (SURF), dans le Dakota du Sud. L’objectif : épier de minuscules signaux des fameuses WIMPs, ces « particules massives faiblement interactives » qui pourraient constituer la solution à ce grand casse-tête cosmique.

L’arsenal souterrain : titane, xénon et neurones sur le qui-vive

Le cœur du dispositif ? Deux chambres robustes en titane bien calfeutrées et remplies de dix tonnes de xénon liquide ultrapure. Pourquoi le xénon ? Parce qu’il suffit du plus faible éclat lumineux – potentiellement provoqué par une collision avec une WIMP – pour que le système s’affole. Pas question de laisser le moindre faux signal ou parasite envahir ce ballet délicat.

Cerise liquide sur ce gâteau ultra-froid : un détecteur externe, contenant un liquide scintillant saturé en gadolinium, veille au grain pour distinguer le vrai du faux, l’authentique du bruit de fond. Ce système de protection est crucial, car il ne suffit pas de descendre à mille mètres sous terre pour se croire à l’abri des imprévus subatomiques.

  • Protection contre les rayons cosmiques par la profondeur 
  • Matériaux à faible radioactivité pour réduire les interférences naturelles 
  • Discrimination active des signaux produits, notamment face aux redoutables neutrons

Les neutrons, justement, sont de véritables trouble-fête, générant des signaux quasi mimétiques de ceux attendus des WIMPs. Voilà pourquoi des chercheurs de l’Université de Californie à Santa Barbara ont mené la conception du détecteur externe : ils voulaient être sûrs que toute chasse soit impartiale – et systématiquement vérifiée.

Des protocoles futuristes pour traquer l’impalpable

Pour éviter que l’humain ne lise dans les données ce qu’il espère – ou craint – voir, la collaboration LZ a introduit une méthode pour le moins épicée : le « salting ». Des signaux fictifs de WIMPs sont glissés dans les observations lors de la collecte, et ce n’est qu’à la fin, au moment de la « désalinisation », que l’équipe découvre lesquels étaient réels. Bluff et objectivité garantis ! Comme le résume Scott Haselschwardt, coordinateur de l’étude, « lorsque l’on travaille à la limite du savoir, il est essentiel de garder son objectivité ».

C’est ainsi que, dans sa dernière phase, l’équipe a analysé 280 jours de mesures, dont 220 jours s’étalent de mars 2023 à avril 2024. Objectif avoué : dépasser le millier de jours d’ici 2028. Loin d’être un marathon vain, chaque cycle resserre l’étau sur les paramètres autorisés de la matière noire.

Bilan : une feuille de route renouvelée et des portes entrouvertes

La récente moisson de résultats repousse les frontières : elle réduit considérablement ce que les WIMPs pourraient être, permettant d’écarter des modèles désormais obsolètes de l’univers, tout en guidant les futures investigations. Mais l’aventure ne s’arrête pas là : le détecteur LZ s’avère aussi capable d’identifier des phénomènes rares, tels que des neutrinos solaires ou des désintégrations peu communes d’isotopes de xénon.

  • 280 jours de données analysées récemment
  • Un consortium de plus de 250 scientifiques de 38 institutions et 6 pays
  • Un projet d’extension vers le détecteur XLZD de nouvelle génération

Hugh Lippincott, physicien impliqué dans l’aventure, rappelle l’essentiel : « Nous espérons toujours découvrir une nouvelle particule, mais il est tout aussi essentiel de pouvoir établir des limites sur ce que la matière noire pourrait être ». La collaboration LUX-ZEPLIN n’entend pas lâcher l’affaire, prête à repousser toujours plus loin les frontières de l’invisible.

En définitive, alors que le monde des particules retient son souffle, la quête continue. Peut-être qu’un jour, la matière noire rondouillera au grand jour… ou, plus probablement, au sein d’un détecteur plongé dans l’obscurité cosmique, guidé par la patience et l’ingéniosité humaine !