Pour une fois, je vais déroger à la règle que je suis fixée de ne parler que d’articles publiés dans des journaux après revue par des pairs. Il s’agit ici de la présentation d’un résultat il y a deux jours dans une conférence de physique qui s’est tenu au Japon, et qui concerne la matière noire, qui me touche particulièrement… Je précise que l’article correspondant a été soumis pour publication dans la très fameuse Physical Review Letters et pourrait sortir dans quelques mois…
Ce dont il est question est une nouvelle analyse de l’expérience LUX-ZEPLIN (LZ) qui exploite un détecteur de type chambre à projection temporelle au xénon liquide. Cette expérience internationale menée par 250 chercheurs et ingénieurs est installée au laboratoire souterrain de Sanford, dans le Dakota du Sud, à environ 1600 m sous terre.
Avec ses 10 tonnes de xénon liquide, l'expérience est optimisée pour la détection des WIMPs (particules massives interagissant faiblement) qui pourraient avoir différentes masses et différents types d’interactions (très faible !) avec la matière ordinaire.
Voilà, le 1er septembre, Sam Eriksen (université de Bristol) a fait une présentation des derniers résultats de la collaboration LZ lors de la conférence 2026 TeV Particle Astrophysics (TeVPA) qui a lieu cette semaine à Tendo au Japon.
A la slide 16 de sa présentation, il montre un graphe représentant tous les événements détectés au cours de 220 jours de données enregistrées entre mars 2023 et avril 2024. La collaboration avait précédemment exploré cet ensemble de données à la recherche de faibles signaux provenant des interactions WIMP les plus simples. Mais les chercheurs ont fait une nouvelle analyse qui a porté sur un éventail plus large d'interactions WIMP qui seraient susceptibles de déposer davantage d'énergie dans le détecteur.
Normalement, dans ce type de graphe en deux dimensions, qui représente l’énergie déposée dans le signal de scintillation en abscisse et le signal d’ionisation en ordonnée, tous les points qui apparaissent sont des interactions de particules du bruit de fond et elles se répartissent en deux zones : la zone de reculs de noyaux de Xénon (où on s’attendrait à voir les interactions de WIMPS, mais aussi de neutrons du bruit de fond, cette zone étant quasi vide en dehors des phases de calibration neutronique) et puis la zone des reculs d’électrons, qui est plus peuplée par de nombreuses interactions d’électrons et de photons gamma par exemple.
Ce qu’on voit sur ce graphe de la slide 16 de Sam Eriksen c’est un point qui se trouve en plein dans la zone des reculs de noyaux de Xénon, et qui est tout seul, isolé, loin de la bande des reculs d’électrons. Ce résultat a été obtenu après sélection des événements et du volume fiduciel dans un échantillon de données correspondant à une exposition de 2,84 tonne-année. Cet événement unique de recul nucléaire est compatible avec une interaction par recul nucléaire élastique présentant une énergie de recul de 248 ± 23 (stat) ± 23 (sys) keV. Cet événement peut être décrit par les spectres de signal prédits par plusieurs modèles élastiques ou inélastiques de matière noire.
Il conduit à une signifiance statistique globale de 2,6σ et à une signifiance locale maximale de 3,4σ, mais à condition que la masse de la WIMP soit supérieure à 200 GeV/c². Il faudrait 5σ pour annoncer la découverte tant attendue, mais environ 3σ, ça correspond déjà à une probabilité de 0,5% pour que ce signal soit en fait du bruit de fond mal évalué. Ou si on préfère, 99,5% pour que soit une particule de matière noire…
Evidemment, les physiciens de LZ en voyant se point isolé dans le graphe (le genre de signal qu’on attend depuis plus de 30 ans !), ont cherché toutes les solutions de bruit de fond qui pourraient expliquer sa présence. Ils ont évalué l’effet de plusieurs processus de bruit de fond parmi les plus rares ainsi que des effets de détection. Mais aucun n’a pu être identifié comme une explication plausible de l’événement qui a été nommé LZ 230616 (car la détection date du 16 juin 2023).
Les neutrons sont généralement considérés comme la cause la plus probable des interactions de type recul nucléaire (induit par une collision sur un noyau de xénon), les physiciens de LZ ont étudié trois sources principales : des réactions (α,n), la fission spontanée et les cascades induites par des muons. Un neutron doit avoir une énergie d’au moins 8 MeV pour transmettre 250 keV à un noyau de xénon lors d’une diffusion élastique, et la section efficace de diffusion élastique des neutrons sur le xénon présente un pic très prononcé vers l’avant à mesure que l’énergie du neutron augmente, ce qui conduit à de faibles dépôts d’énergie. À l’instar des neutrinos et des coïncidences accidentelles, il est donc très peu probable d’observer un seul recul à cette énergie sans observer également plusieurs autres événements à des énergies plus faibles. Ces informations spectrales, en plus des systèmes de veto du détecteur, constituent une contrainte forte dans l’inférence statistique sur la contribution des neutrons au fond dans la région de l’événement d’intérêt.
La composante neutronique dominante provient des réactions (α,n) dans les matériaux des détecteurs. Les neutrons de fission spontanée sont aussi pris en compte dans l’inférence statistique bien que leur taux soit jusqu’à 100 fois inférieur à celui des réactions (α,n). Mais la forte multiplicité en neutrons et en photons γ de la fission spontanée entraîne une probabilité élevée d’interactions multiples dans les détecteurs de LZ. À titre de vérification croisée, les neutrons à diffusions multiples ont été analysés afin de fournir une estimation secondaire du nombre de neutrons de fission spontanée qui seraient présents dans la région d’intérêt (ROI), avec une valeur prédite de 0,02 ± 0,02.
Quant aux cascades induites par des muons, elles peuvent produire des neutrons dont les énergies peuvent atteindre plusieurs GeV et qui sont susceptibles d’être alignés avec la direction du muon incident. Des simulations portant sur 2,1 × 10⁹ événements de muons atmosphériques ont été générées par les chercheurs, ce qui équivaut à 1 200 années d’exposition de LZ, sans qu’aucun dépôt de type du signal observé n’ait été observé.
Des simulations supplémentaires de neutrons dont les énergies varient entre 50 MeV et 1 GeV, produits dans la roche du laboratoire, ont également été réalisées afin d’évaluer l’efficacité de marquage du système de veto entourant le détecteur dans le cas où ni un muon ni aucune autre particule secondaire ne déclencherait le détecteur. Cette efficacité de marquage s’est avérée être de 80,0 ± 4,0 %. Eriksen et ses collaborateurs ont donc fixé une limite supérieure, avec un niveau de confiance de 90 %, pour le nombre d’événements de diffusion unique prévus, quelle que soit leur énergie, issus de neutrons induits par des muons, à 4,6 10−4… Ils n’ont donc pas inclus les neutrons induits par des muons dans le modèle du bruit de fond.
En résumé, le détecteur LZ a détecté une interaction de particule unique en juin 2023 et depuis trois ans, les chercheurs peinent à l’expliquer avec les signaux du bruit de fond connus provenant de la matière ordinaire. A court d’idées, ils ont décidé de rendre publique leur observation, lors d’une conférence spécialisée, et dans un prochain article de Physical Review Letters.
Ce résultat n'atteint pas encore le seuil statistique requis pour parler de découverte, mais il constitue l'indice le plus convaincant de l'existence de matière noire rapporté à ce jour par l'expérience LZ. Si l'événement LZ 230616 était vraiment dû à la matière noire, cela voudrait dire que la particule WIMP qui l'a généré aurait une masse d'au moins 200 GeV/c², ce qui est une plage de masse qui n’était pas privilégiée jusqu’à aujourd’hui. Et cela suggérerait également un type d'interaction spécifique entre les WIMPs et la matière ordinaire, qui irait au-delà du modèle le plus simple qui était généralement pris en compte.
Heureusement, depuis le 1er avril 2024, le détecteur LZ a continué à collecter des données dans les mêmes conditions de champ électrique que celles qui ont vu apparaître l’événement LZ 230616. On attend maintenant avec impatience l’apparition du deuxième événement du même type dans la zone d’intérêt…
Qui sait ? Peut-être avant la fin du processus de revue de Physical Review Letters (ou pas...).
Source
Search for dark matter particle interactions in an extended nuclear recoil energy window with the LUX-ZEPLIN (LZ) experiment
LZ Collaboration
https://arxiv.org/abs/2609.02823 (02 september 2026)
Illustrations
1. Le plot de la page 16 de la présentation de Sam Eriksen , le signal mystérieux est entouré par une croix rouge (LZ collaboration)
2. Schéma du détecteur Lux Zeppelin (LZ)
