Direct detection of electromagnetically interacting ultraheavy dark matter

L'univers est rempli de matière invisible qui maintient les galaxies ensemble, pourtant nous n'avons jamais vu une seule particule de celle-ci. Les scientifiques appellent cela la « matière noire », et pendant des décennies, la théorie dominante a été qu'elle est composée de particules lourdes et lentes qui interagissent à peine avec la lumière ou la matière ordinaires. Cependant, une possibilité plus discrète a persisté : et si une partie de cette matière noire portait une charge électrique infime et ténue ? Si c'est le cas, elle interagirait avec les photons de la lumière, aussi faiblement soit-elle, créant un pont entre le secteur caché et le monde visible dans lequel nous habitons. Cette idée, connue sous le nom de matière noire « millichargée », suggère que ces particules pourraient être assez légères pour traverser les détecteurs en un éclair ou assez lourdes pour les percer, selon leur masse. La question demeure de savoir si nous pouvons les capturer et, si oui, à quel point elles pourraient être lourdes avant que nos outils actuels ne deviennent tout simplement incapables de les voir.

Une équipe de physiciens a maintenant cartographié les limites de notre capacité à trouver ces particules évasives, en se concentrant spécifiquement sur les candidats les plus lourds imaginables. Ils ont examiné les données d'un large éventail d'expériences souterraines conçues pour capturer la matière noire, incluant de massifs réservoirs de xénon liquide, des chambres remplies d'argon liquide et des chambres à bulles qui détectent de minuscules éclats d'ébullition de liquide. Leur objectif était de déterminer à quel point ces particules pourraient être lourdes avant que les détecteurs eux-mêmes ne deviennent aveugles à elles. Les chercheurs ont découvert que pour les particules interagissant par charge électrique, il existe une limite stricte à la charge qu'elles peuvent posséder avant d'être rejetées par les systèmes de sécurité mêmes conçus pour protéger les expériences. Cette limite, ou « plafond », dépend entièrement du type de détecteur utilisé.

L'étude révèle un avantage surprenant pour un type spécifique de détecteur : la chambre à bulles. Dans la plupart des expériences, telles que celles utilisant le xénon liquide, les détecteurs sont si sensibles qu'ils verraient un déluge de signaux provenant d'électrons si la matière noire possédait même une infime charge électrique. Pour éviter d'être submergés par ce bruit, ces expériences rejettent automatiquement tout événement qui ressemble à une interaction électronique. Par conséquent, si la matière noire est trop chargée, elle déclenche ce système de veto et est écartée, laissant l'expérience incapable de la voir. Les chercheurs ont calculé que pour le xénon liquide et les détecteurs à semi-conducteurs, cela crée une limite supérieure stricte sur la charge de la matière noire qu'ils peuvent rechercher. Cependant, les chambres à bulles fonctionnent différemment. Elles sont conçues pour ignorer les signaux ténus laissés par les électrons et ne réagissent qu'aux impacts lourds et vigoureux des noyaux atomiques. Parce qu'elles ne possèdent pas de système rejetant automatiquement les signaux électroniques, elles ne souffrent pas de ce même plafond.

Cette différence permet à l'expérience de chambre à bulles connue sous le nom de PICO-60 d'explorer une vaste région de possibilités que d'autres détecteurs ne peuvent atteindre. L'équipe a constaté que PICO-60 peut contraindre la charge électrique de la matière noire à deux ordres de grandeur de plus que les expériences de xénon liquide, et elle peut le faire pour des particules ayant des masses jusqu'à un ordre de grandeur supérieur. Cette découverte comble efficacement un grand fossé dans nos connaissances, excluant une large gamme de matière noire millichargée lourde qui était auparavant non contrainte. Pour les particules dont la masse est inférieure à un certain seuil, ce résultat jette un pont entre ce que les expériences de détection directe peuvent voir et ce que les expériences de neutrinos ont déjà exclu.

Les chercheurs ont également examiné d'autres façons dont la matière noire pourrait interagir avec la lumière, comme posséder un moment dipolaire magnétique ou électrique, ou un rayon de charge spécifique. Pour ces types d'interactions, le problème du « plafond » n'existe pas car les signaux qu'elles produisent ne submergent pas les détecteurs de la même manière. L'équipe a également calculé les limites pour ces scénarios, étendant les contraintes connues pour les masses de matière noire jusqu'à 10^17 GeV. Il s'agit d'une masse incroyablement élevée, bien au-delà de ce que les collisionneurs de particules actuels peuvent produire, repoussant les frontières de ce que nous savons des candidats de matière noire les plus lourds possibles.

En regardant vers l'avenir, l'étude trace les contours de ce que les futurs détecteurs, encore plus grands, seront capables d'accomplir. Des expériences prévues pour les années à venir, telles que les détecteurs à l'échelle multi-tonnes DarkSide-20k et DARWIN, pourront sonder encore plus profondément cet espace de paramètres. Les chercheurs suggèrent qu'en affinant la manière dont ces détecteurs analysent leurs données, notamment en ajustant les règles de ce qui constitue un signal de fond, les limites actuelles sur la matière noire millichargée pourraient être poussées encore plus haut. Bien que la croûte terrestre et l'atmosphère puissent arrêter certaines de ces particules lourdes avant qu'elles n'atteignent les laboratoires souterrains, les calculs montrent que pour les candidats les plus lourds, cet effet est négligeable. Ce travail fournit une feuille de route claire sur l'état actuel de la recherche de la matière noire la plus lourde et la plus faiblement chargée, et vers où elle doit se diriger demain.