Les physiciens qui effectuent la recherche expérimentale la plus sensible au monde sur la matière noire ont vu quelque chose d’étrange. Ils ont découvert un excès d’événements inattendu à l’intérieur de leur détecteur qui pourrait correspondre au profil d’une hypothétique particule de matière noire appelée “Axion”. Alternativement, les données pourraient être expliquées par de nouvelles propriétés des neutrinos.
Plus banalement, le signal pourrait provenir d’une contamination à l’intérieur de l’expérience.
“En dépit d’être enthousiasmés par cet excès, nous devons être très patients”, a déclaré Luca Grandi, physicien à l’Université de Chicago et l’un des leaders de l’expérience XENON1T de 163 personnes. Le successeur de l’expérience sera nécessaire pour exclure une éventuelle contamination par les atomes de tritium, a déclaré Grandi. Cette expérience devrait commencer plus tard cette année.
Des experts extérieurs disent que chaque fois qu’il y a une explication ennuyeuse, c’est généralement juste. Mais pas toujours – et la simple possibilité que XENON1T ait fait une découverte mérite l’attention.
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“Si cela s’avère être une nouvelle particule, alors c’est une percée que nous attendons depuis 40 ans”, a déclaré Adam Falkowski, physicien des particules à l’Université Paris-Saclay en France qui n’était pas impliqué dans l’expérience. “Vous ne pouvez pas surestimer l’importance de la découverte, si elle est réelle.”
Les physiciens des particules ont recherché aussi longtemps un inventaire plus complet de la nature, au-delà de l’ensemble des particules et des forces connues sous le nom de modèle standard de la physique des particules. Et pendant 20 ans, des expériences comme XENON1T ont recherché spécifiquement les particules inconnues qui composent la matière noire, la substance invisible qui jette son poids gravitationnel dans tout l’univers.
Si le signal de XENON1T provient d’axions – un candidat majeur pour la matière noire – ou de neutrinos non standard, “ce serait clairement très excitant”, a déclaré Kathryn Zurek, physicienne théorique au California Institute of Technology. Pour l’instant, cependant, “l’explication banale du tritium est plus probable dans mon esprit.”
Le résultat décrit dans l’article est un amas d’événements appelés «recul électronique» à l’intérieur du détecteur XENON1T. Réservoir doublé de capteurs de 3,2 tonnes métriques de xénon pur, le détecteur est situé à des milliers de pieds sous le Gran Sasso, une montagne en Italie. En tant qu’élément chimiquement inerte et «noble», le xénon constitue une piscine d’observation silencieuse dans laquelle rechercher les ondulations de particules inconnues, en cas de fuite.
La série d’expériences XENON a été conçue à l’origine pour rechercher de lourdes particules hypothétiques de matière noire appelées particules massives à faible interaction, ou WIMP. Tout WIMP traversant le détecteur devrait occasionnellement entrer en collision avec un noyau de xénon, générant un flash de lumière.
Mais après 14 ans de recherche avec des détecteurs toujours plus grands et plus sensibles, les chercheurs n’ont pas vu ces recul nucléaires. Les expériences concurrentes à la recherche de recul nucléaire dans des réservoirs d’autres éléments et substances nobles ne le sont pas non plus. “Ce fut une saga, et nous sommes tous très désespérés”, a déclaré Elena Aprile, physicienne des particules à l’Université Columbia, qui a conçu la méthode de détection au xénon et dirige depuis les expériences XENON.
Alors que la recherche WIMP continuait à être vide, les scientifiques de XENON ont réalisé il y a plusieurs années qu’ils pouvaient utiliser leur expérience pour rechercher d’autres types de particules inconnues qui pourraient passer à travers le détecteur: des particules qui frappent dans un électron plutôt qu’un noyau de xénon.
Ils avaient l’habitude de traiter ces «recul électroniques» comme du bruit de fond et, en fait, bon nombre de ces événements sont causés par des sources banales telles que le plomb radioactif et les isotopes du krypton. Mais après avoir apporté des améliorations pour réduire considérablement leurs contaminations de fond au fil des ans, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient rechercher des signaux dans le bruit de bas niveau.
Dans leur nouvelle analyse, les physiciens ont examiné les recul électroniques dans la valeur de la première année de données XENON1T. Ils s’attendaient à voir environ 232 de ces recul, causés par des sources connues de contamination de fond. Mais l’expérience a vu 285 – un excédent de 53 qui signifie une source non comptabilisée.
L’équipe a gardé la conclusion secrète pendant environ un an. “Nous avons travaillé et travaillé et essayé de comprendre”, a déclaré Aprile. “Je veux dire, ces pauvres étudiants!” Après avoir rejeté toutes les sources d’erreur possibles auxquelles ils pouvaient penser, les chercheurs ont trouvé trois explications qui correspondraient à la taille et à la forme de la bosse dans leurs graphiques de données.
Le premier et peut-être le plus excitant est «l’axion solaire», une particule hypothétique produite à l’intérieur du soleil qui serait semblable à un photon mais avec une quantité minuscule de masse.
Aucune axion produite récemment au soleil ne pourrait être la matière noire qui a façonné le cosmos depuis les temps primordiaux. Mais si l’expérience a détecté des axions solaires, cela signifie que les axions existent. “Un tel axion pourrait également être produit dans le premier univers et constituerait alors une composante de la matière noire”, a déclaré Peter Graham, physicien des particules à l’Université de Stanford qui a théorisé sur les axions et les moyens de les détecter.
Les chercheurs ont déclaré que l’énergie des axions solaires déduite de la bosse de XENON1T ne correspond pas aux modèles les plus simples de matière noire des axions, mais des modèles plus compliqués peuvent probablement les réconcilier.
Une autre possibilité est que les neutrinos – la plus mystérieuse des particules connues de la nature – puissent avoir de grands moments magnétiques, ce qui signifie qu’ils sont comme de petits aimants en barre. Une telle propriété leur permettrait de se diffuser avec des électrons à un rythme amélioré, expliquant le surplus de recul électronique. Graham a déclaré que les neutrinos possédant un moment magnétique “seraient également très excitants car ils indiquent une nouvelle physique au-delà du modèle standard”.
Mais il est également possible que des traces de tritium, un isotope d’hydrogène rare, soient présentes dans le réservoir de xénon, et que leurs désintégrations radioactives génèrent un recul électronique. Cette possibilité “ne peut être ni confirmée ni exclue”, a écrit l’équipe XENON1T dans son article.
Des chercheurs extérieurs disent qu’il n’y a «pas de drapeaux rouges, mais oranges», comme l’a dit Falkowski, qui pointent vers la réponse ennuyeuse. Plus important encore, si le soleil crée des axions, alors toutes les étoiles le font. Ces axions éloignent une petite quantité d’énergie de l’étoile, comme la vapeur emportant l’énergie d’une bouilloire bouillante. Dans les étoiles très chaudes comme les géantes rouges et les naines blanches, où la production d’axions devrait être la plus importante, cette perte d’énergie serait suffisante pour refroidir les étoiles. “Un nain blanc produirait tellement d’axions que nous ne verrions pas de nains blancs chauds aujourd’hui comme nous le faisons”, a déclaré Zurek.
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Les neutrinos avec de grands moments magnétiques ont été également défavorisés: par rapport aux neutrinos standard, un plus grand nombre d’entre eux seraient produits spontanément à l’intérieur des étoiles, sapant davantage l’énergie des étoiles et refroidissant les étoiles chaudes plus que ce qui est observé.
Mais cette logique pourrait être défectueuse, ou une autre particule ou un autre effet pourrait expliquer la bosse de XENON1T. Heureusement, la communauté de la physique n’aura pas à attendre longtemps les réponses; Le successeur de XENON1T, l’expérience XENONnT – qui surveillera les reculs dans 8,3 tonnes de xénon – est en bonne voie pour commencer la collecte de données plus tard cette année. “Si l’excès est là et au même niveau”, a déclaré Grandi, “nous nous attendons à pouvoir faire la distinction entre [les possibilités] en quelques mois de collecte de données”.
“Une chose est claire”, a déclaré Juan Collar, un physicien de la matière noire à l’Université de Chicago qui n’est pas impliqué dans l’expérience. «Le programme XENON continue de montrer la voie dans le domaine de la matière noire. L’expérience la plus sensible sera la première à se heurter à l’inattendu, et XENON continue de maintenir une prise solide sur cette pole position prisée. »