Un seul signal intrigue LZ, mais la matière noire reste à prouver

L’expérience LUX-ZEPLIN (LZ) a signalé un événement inhabituel de recul nucléaire à haute énergie. Ce n’est pas une découverte de matière noire : il s’agit d’un seul événement, intrigant parce qu’il survient dans une région particulièrement propre du détecteur, mais qui peut encore correspondre à une fluctuation statistique ou à un bruit de fond rare non modélisé. 12

Ce que LZ a observé

Entre mars 2023 et avril 2024, LZ a analysé 220 jours de prise de données effective. La collaboration a étendu sa fenêtre de recherche jusqu’à environ 270 keV de recul nucléaire afin de tester des scénarios de WIMPs — des particules massives interagissant faiblement — susceptibles de produire des reculs plus énergétiques que dans les recherches conventionnelles, notamment certains modèles inélastiques ou issus de théories effectives. 12

Cette analyse, correspondant à une exposition de 2,84 tonnes-années, a révélé un événement compatible avec le recul d’un noyau de xénon d’environ 248 keV. Les processus de fond conventionnels y sont censés être peu nombreux. 24

L’excès présente une significativité globale de 2,6 σ, une fois prise en compte l’« effet de regard ailleurs » : plus on teste de modèles ou de régions, plus la probabilité de tomber par hasard sur une anomalie augmente. Dans l’hypothèse des seuls bruits de fond connus, cela représente environ 0,5 % de probabilité. L’excès local maximal parmi les modèles examinés atteint 3,4 σ. 25

Pourquoi ce n’est pas encore une découverte

En physique des particules, le seuil habituel pour annoncer une découverte est de 5 σ. Un événement isolé ne permet ni d’établir un signal reproductible, ni de départager de façon fiable une nouvelle physique d’un bruit de fond inconnu.

Autrement dit, le résultat mérite d’être publié, vérifié et suivi de près, mais il ne permet pas d’affirmer que la matière noire a été détectée. LZ souligne d’ailleurs que des événements anormaux finissent souvent par recevoir une explication liée au fond expérimental. 12

Deux explications restent ouvertes

Si l’événement provenait d’un WIMP qui diffuse sur un noyau de xénon, il indiquerait une particule relativement lourde, de masse au moins voisine de 200 GeV/c², et une interaction plus complexe que le modèle WIMP le plus simple, dit à interaction indépendante du spin. 1

L’autre hypothèse est celle d’une topologie de bruit de fond très rare, absente ou incomplètement décrite dans le modèle employé. La collaboration indique avoir étudié plusieurs possibilités de ce type, sans pouvoir pour l’instant attribuer l’événement à l’une d’elles. 12

Les prochaines données feront la différence

LZ continue d’accumuler des données vers un objectif de 1 000 jours effectifs et dispose déjà d’un ensemble de données plus grand que celui utilisé dans cette analyse. Si l’interprétation en termes de WIMP est correcte, de nouveaux événements devraient apparaître avec une distribution cohérente en énergie et dans l’espace du détecteur. Une fluctuation aléatoire ou un fond mal identifié, au contraire, ne devrait pas se confirmer de cette manière. 12

À plus long terme, le projet XLZD, envisagé pour le milieu des années 2030, prévoit une masse de xénon environ dix fois supérieure à celle des détecteurs actuels. Cette exposition accrue et une meilleure séparation des bruits de fond pourraient tester de manière beaucoup plus décisive l’hypothèse d’une population de WIMPs lourds — ou repousser ces scénarios vers des sections efficaces bien plus faibles. XLZD vise aussi une mesure de précision des neutrinos solaires de basse énergie. 12

À ne pas confondre avec le résultat de XENONnT sur les neutrinos solaires

Le signal de LZ est distinct de la récente observation à 5 σ par XENONnT de neutrinos solaires de basse énergie diffusant élastiquement sur des électrons. Ce signal est dominé par les neutrinos issus de la chaîne proton-proton, les réactions de fusion qui alimentent le Soleil. XENONnT atteint une sensibilité à des énergies de neutrinos d’environ 17 keV, le seuil direct le plus bas rapporté à ce jour. 9

XENONnT avait déjà annoncé en 2024 une première indication, puis une mesure, de neutrinos solaires du bore-8 par diffusion élastique cohérente neutrino-noyau, ou CEνNS. Cette interaction produit elle aussi des reculs nucléaires : elle ressemble donc de près au type de signal recherché dans les détecteurs de WIMPs au xénon. 3711

Ces résultats illustrent l’évolution de ces chambres à projection temporelle au xénon, conçues pour limiter au maximum la radioactivité parasite. Elles sont désormais à la fois des instruments de recherche de matière noire, des observatoires de neutrinos solaires et des laboratoires pour étudier des interactions extrêmement rares. Elles préparent aussi le terrain pour l’ère du « brouillard des neutrinos », où les neutrinos deviendront un bruit de fond incontournable dans la quête de la matière noire. 179