Publié le 8 octobre 2025. Des scientifiques travaillant à plus d’un kilomètre de profondeur aux États-Unis ont franchi une nouvelle étape dans la quête de la matière noire, cette substance mystérieuse qui constitue la majeure partie de l’univers, en affinant les limites de sa détection.
- L’expérience LUX-ZEPLIN (LZ) a établi un nouveau record de sensibilité dans la recherche de particules de matière noire.
- Les données analysées jusqu’à présent n’ont révélé aucun signal clair, ce qui permet de réduire les possibilités concernant la nature de la matière noire.
- La collaboration internationale derrière LZ prévoit d’analyser davantage de données et de concevoir des détecteurs de nouvelle génération.
Sous le Dakota du Sud, au cœur du centre de recherche souterrain de Sanford (SURF), l’expérience LUX-ZEPLIN (LZ) repousse les frontières de notre connaissance de l’univers. Cette initiative, menée par une équipe de 250 scientifiques issus de 38 institutions à travers le monde, vise à percer le mystère de la matière noire, une forme de matière invisible qui représente environ 85 % de la masse totale de l’univers. Malgré son abondance, la matière noire n’interagit que très faiblement avec la matière ordinaire, ce qui la rend extrêmement difficile à détecter.
Les dernières analyses des données collectées par LZ, portant sur 280 jours d’observation (dont 220 jours de nouvelles données entre mars 2023 et avril 2024, complétés par 60 jours de données initiales), ont permis d’affiner la recherche sur le principal candidat théorique pour la matière noire : les particules massives à interaction faible, communément appelées WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Bien qu’aucune particule n’ait encore été détectée, ces résultats permettent d’exclure certaines propriétés des WIMPs et de guider les futures recherches.
« Même si nous espérons découvrir de nouvelles particules, il est tout aussi important pour la physique des particules de pouvoir déterminer les limites de ce que la matière noire pourrait réellement être », explique Hugh Lippincott, physicien à l’Université de Santa Barbara. Cette approche par élimination est cruciale pour orienter les efforts de la communauté scientifique.
L’expérience LZ repose sur un détecteur extrêmement sensible, constitué de deux conteneurs en titane contenant 10 tonnes de xénon liquide ultrapur (environ 10 000 litres). Ce milieu permet de capturer les minuscules éclairs de lumière produits par les collisions potentielles entre les particules de matière noire et les noyaux d’atomes de xénon. Un détecteur externe, rempli d’un fluide scintillateur au gadolinium, permet de distinguer les signaux réels des bruits de fond.
La profondeur du laboratoire souterrain (près d’un kilomètre) est essentielle pour protéger le détecteur des rayons cosmiques, qui pourraient masquer les signaux de matière noire. De plus, la construction du détecteur a été réalisée avec des matériaux à très faible radioactivité, et sa conception est stratifiée, comme un oignon, pour bloquer les rayonnements externes et identifier les particules parasites. L’analyse sophistiquée des données permet également d’éliminer les interactions qui ne sont pas liées à la matière noire.
Un défi majeur dans la recherche de la matière noire est de distinguer les signaux potentiels des interférences causées par d’autres particules, notamment les neutrons. « Ce qui est délicat avec les neutrons, c’est qu’ils interagissent également avec les noyaux de xénon, produisant exactement le même signal que celui que nous attendons des WIMPs », explique Trask, de l’équipe de l’UCSB, qui a dirigé la conception du détecteur externe. L’efficacité de ce détecteur externe a permis de confirmer l’absence de signaux WIMP.
Le radon, un gaz radioactif, est également une source potentielle de confusion. Les scientifiques ont donc étudié attentivement les processus de désintégration du radon dans le détecteur afin de les identifier et de les exclure de l’analyse. Pour garantir l’objectivité des résultats, l’équipe LZ a également utilisé une technique appelée « aveuglement », consistant à ajouter de faux signaux aux données lors de la collecte, afin d’éviter tout biais inconscient.
« Nous repoussons les limites de la recherche dans des domaines que les humains n’ont jamais explorés auparavant dans le cadre de la recherche de matière noire », souligne Haselschwardt. « Il existe une tendance humaine naturelle à voir des modèles dans les données, il est donc important de s’assurer qu’aucun biais ne s’y infiltre. Si vous trouvez quelque chose, vous voulez vous assurer qu’il est correct. »
L’expérience LZ est financée par le Département américain de l’énergie, le National Energy Research Scientific Computing Center, ainsi que par des organismes de financement au Royaume-Uni, au Portugal, en Suisse et en Corée du Sud. Les chercheurs prévoient d’analyser davantage de données au cours des prochaines années, avec l’objectif de collecter un total de 1 000 jours de données d’ici 2028. Ils étudient également la possibilité d’améliorer les capacités du détecteur et de concevoir un détecteur de nouvelle génération, appelé XLZD.
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