Search for Magnetic and Spin-Independent Inelastic Dark Matter with XENONnT
En utilisant 2,1 tonnes-années de données provenant de l'expérience XENONnT, cette étude recherche la matière noire inélastique magnétique et scalaire (spin-indépendante) en identifiant des signatures uniques de reculs nucléaires suivis de photons de désexcitation retardés, trouvant finalement des résultats cohérents avec les attentes du bruit de fond et établissant des limites supérieures à un niveau de confiance de 90 % sur la plage de masses allant de GeV/c² à TeV/c².
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L'univers est rempli de matière que nous ne pouvons pas voir. Les astronomes savent que cette substance invisible, appelée matière noire, existe parce que sa gravité maintient les galaxies ensemble et façonne le cosmos, pourtant elle constitue environ quatre-vingt-cinq pour cent de toute la matière en existence. Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté d'en obtenir un aperçu direct, espérant qu'une particule de matière noire puisse occasionnellement heurter un atome dans un détecteur situé profondément sous terre. Les expériences les plus fructueuses jusqu'à présent ont utilisé des réservoirs de xénon liquide, un métal lourd qui est liquide à de très basses températures, pour guetter ces collisions rares. L'idée standard est qu'une particule de matière noire est un type unique de particule qui rebondit sur un noyau atomique puis disparaît, laissant derrière elle un minuscule flash de lumière et un petit signal électrique. C'est l'image la plus simple, mais ce n'est pas la seule. Certaines théories suggèrent que la matière noire pourrait être plus complexe, existant sous deux états différents avec des poids légèrement différents, tout comme une personne qui peut être soit debout, soit assise. Si une particule de matière noire est dans l'état plus lourd, l'état excité, elle pourrait percuter un atome, perdre de l'énergie, puis revenir à son état plus léger un instant plus tard, en libérant une bouffée d'énergie lors de ce processus.
Une équipe de chercheurs utilisant l'expérience XENONnT, un détecteur massif situé profondément sous la montagne du Gran Sasso en Italie, a récemment cherché des preuves de ce comportement plus complexe. Ils ont analysé des données collectées sur une période correspondant à 2,1 tonne-années d'observation, une mesure de la masse du détecteur surveillant pendant une certaine durée. Leur objectif était de trouver une signature très spécifique : une particule de matière noire heurtant un atome de xénon, provoquant le recul de l'atome, puis, une fraction de seconde plus tard, la particule de matière noire elle-même libérant un photon de lumière en revenant à son état fondamental. Cela créerait un motif unique de deux événements distincts se produisant au même endroit, séparés par une infime fraction de seconde. L'équipe a également étudié une version plus simple de ce scénario où la particule de matière noire heurte l'atome mais où le second événement se produit à l'extérieur du détecteur, ne laissant que le choc initial. Ils se sont concentrés sur deux modèles théoriques spécifiques, l'un impliquant des interactions magnétiques et l'autre impliquant une force générale qui ne dépend pas du spin des particules.
Pour trouver ces signaux, les chercheurs devaient être incroyablement précis. Le détecteur est un cylindre rempli de 5,9 tonnes de xénon liquide, entouré de réservoirs d'eau pour bloquer les autres types de radiations. Lorsqu'une particule interagit avec le xénon, elle produit deux types de signaux : un flash immédiat appelé S1 et un signal électrique retardé appelé S2. L'équipe a développé de nouvelles méthodes pour observer ces signaux, en cherchant spécifiquement des paires d'événements qui correspondent au timing et à la direction attendus d'une particule de matière noire voyageant à travers le détecteur puis se désintégrant. Ils ont dû filtrer le bruit de fond, qui comprend des coïncidences aléatoires où deux événements sans rapport se produisent en même temps, ainsi que les désintégrations de krypton radioactif qui peuvent imiter le signal. En utilisant la vitesse et la direction des particules pour distinguer les signaux réels de ces événements de fond, ils ont créé une zone de recherche très propre.
Après avoir appliqué toutes leurs règles de sélection strictes, les chercheurs n'ont trouvé aucun événement correspondant à la signature de la désintégration à double impact. Ils ont trouvé 805 événements à impact unique, mais ceux-ci étaient cohérents avec ce qu'ils attendaient des sources de fond connues et ne montraient aucun excès inhabituel qui pointerait vers la matière noire. Comme ils n'ont trouvé aucune preuve du signal prédit, ils n'ont pas découvert un nouveau type de matière noire. Au lieu de cela, ils ont utilisé l'absence de ces événements pour fixer de nouvelles limites plus strictes sur la probabilité que ces modèles spécifiques soient vrais. Ils ont calculé que si ce type de matière noire existe, son interaction avec la matière ordinaire doit être plus faible que ce que leurs résultats permettent. Pour le modèle magnétique, ils ont exclu des valeurs pour le moment dipolaire magnétique jusqu'à trois ordres de grandeur supérieures aux limites précédentes, excluant ainsi une large gamme de possibilités pour des particules ayant des masses comprises entre 50 GeV/c² et 1 TeV/c². Pour le modèle indépendant du spin, ils ont de la même manière resserré les contraintes sur la force avec laquelle ces particules peuvent interagir avec les noyaux atomiques.
L'étude confirme que l'univers ne contient pas ce type spécifique de matière noire inélastique aux niveaux que les chercheurs étaient capables de tester. Bien que la recherche n'ait pas trouvé les particules, elle a considérablement réduit le champ des possibles pour les physiciens. En prouvant que ces particules n'existent pas avec les propriétés qu'ils recherchaient, l'équipe a orienté la recherche future vers d'autres possibilités. Le détecteur XENONnT, avec son fond ultra-bas et sa taille massive, continue d'être l'un des outils les plus sensibles disponibles pour scruter le secteur sombre, et ce dernier résultat constitue un test définitif de ces théories particulières. Ce travail démontre que même lorsqu'une recherche s'avère infructueuse, la connaissance acquise sur ce qui n'est pas là est une étape cruciale pour comprendre de quoi l'univers est fait.
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