La matière noire a jusqu'à présent défié tous les types de détecteurs conçus pour la trouver. En raison de son énorme empreinte gravitationnelle dans l'espace, nous savons que la matière noire doit représenter environ 85 % de la masse totale de l'univers, mais on ne sait pas encore de quoi il est fait.

Plusieurs grandes expériences qui chassent la matière noire ont recherché des signes de particules de matière noire frappant les noyaux atomiques via un processus connu sous le nom de diffusion, qui peut produire de minuscules éclairs de lumière et d'autres signaux dans ces interactions.

Maintenant une nouvelle étude, dirigé par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Department of Energy et de l'UC Berkeley, suggère de nouvelles voies pour capter les signaux des particules de matière noire dont l'énergie est absorbée par ces noyaux.

Le processus d'absorption pourrait donner un coup de fouet à un atome affecté qui le ferait éjecter un briquet, particule sous tension telle qu'un électron, et il pourrait produire d'autres types de signaux, trop, selon la nature de la particule de matière noire.

L'étude se concentre principalement sur les cas où un électron ou un neutrino est éjecté lorsque la particule de matière noire frappe le noyau d'un atome.

Publié le 4 mai dans Lettres d'examen physique , l'étude propose que certaines expériences existantes, y compris ceux qui recherchent des particules de matière noire et des processus liés aux neutrinos - fantomatiques, les particules détectables qui peuvent traverser la plupart des matières et avoir la capacité de se transformer en différentes formes peuvent facilement être élargies pour rechercher également ces types de signaux révélateurs de matière noire liés à l'absorption.

Aussi, les chercheurs proposent que de nouvelles recherches dans les données de détecteurs de particules précédemment collectées pourraient éventuellement révéler ces signaux de matière noire négligés.

"Dans ce champ, nous avons eu une certaine idée en tête de candidats bien motivés pour la matière noire, comme le WIMP, " ou particule massive interagissant faiblement, dit Jeff Dror, l'auteur principal de l'étude qui est chercheur postdoctoral au groupe théorique de Berkeley Lab et au Berkeley Center for Theoretical Physics de l'UC Berkeley.

La matière noire repousse les limites des lois fondamentales connues de la physique, encapsulé dans le modèle standard de la physique des particules, et "Le paradigme WIMP est très facile à intégrer dans le modèle standard, mais nous ne l'avons pas trouvé depuis longtemps, " a noté Dror.

Donc, les physiciens envisagent maintenant d'autres endroits où les particules de matière noire peuvent se cacher, et d'autres possibilités de particules telles que les « neutrinos stériles » théorisés qui pourraient également être intégrés à la famille de particules connues sous le nom de fermions, qui comprend les électrons, protons, et les neutrinos.

"C'est facile, avec de petites modifications au paradigme WIMP, pour accueillir un tout autre type de signal, " a déclaré Dror. " Vous pouvez faire d'énormes progrès à très peu de frais si vous prenez un peu de recul par rapport à la façon dont nous avons pensé à la matière noire. "

Robert McGehee, un étudiant diplômé de l'UC Berkeley, et Gilly Elor de l'Université de Washington étaient les co-auteurs de l'étude.

Les chercheurs notent que la gamme de nouveaux signaux sur lesquels ils se concentrent ouvre un "océan" de possibilités de particules de matière noire :à savoir des fermions encore non découverts avec des masses plus légères que la gamme typique considérée pour les WIMPs. Ils pourraient être de proches cousins ​​des neutrinos stériles, par exemple.

L'équipe d'étude a examiné les processus d'absorption connus sous le nom de « courant neutre, " dans lequel les noyaux du matériau détecteur reculent, ou se faire secouer par leur collision avec des particules de matière noire, produire des signatures énergétiques distinctes qui peuvent être captées par le détecteur ; et aussi ceux dits "courant chargé, " qui peut produire plusieurs signaux lorsqu'une particule de matière noire frappe un noyau, provoquant un recul et l'éjection d'un électron.

Le processus de courant de charge peut également impliquer une désintégration nucléaire, dans lequel d'autres particules sont éjectées d'un noyau comme une sorte d'effet domino déclenché par l'absorption de matière noire.

La recherche des signatures suggérées par l'étude des processus de courant neutre et de courant de charge pourrait ouvrir "des ordres de grandeur d'espace de paramètres inexplorés, " notent les chercheurs. Ils se concentrent sur les signaux énergétiques dans le MeV, ce qui signifie des millions d'électrons-volts. Un électron-volt est une mesure d'énergie que les physiciens utilisent pour décrire les masses de particules. Pendant ce temps, les recherches WIMP typiques sont désormais sensibles aux interactions des particules avec des énergies de l'ordre du keV, ou des milliers d'électrons-volts.

Pour les diverses interactions de particules que les chercheurs ont explorées dans l'étude, "Vous pouvez prédire quel est le spectre d'énergie de la particule qui sort ou du nucléon qui reçoit le coup de pied, '", a déclaré Dror. Le nucléon fait référence au proton chargé positivement ou au neutron non chargé qui réside dans le noyau d'un atome et qui pourrait absorber de l'énergie lorsqu'il est frappé par une particule de matière noire. Ces signaux d'absorption pourraient être plus courants que les autres types de signaux qui les détecteurs de matière sont généralement conçus pour trouver, ajouta-t-il, nous ne savons tout simplement pas encore.

Des expériences qui ont de grands volumes de matériel de détecteur, avec une sensibilité élevée et un bruit de fond très faible, " ou des interférences indésirables provenant d'autres types de signaux de particules, sont particulièrement adaptés à cette recherche élargie de différents types de signaux de matière noire, dit Dror.

LUX-ZEPLIN (LZ), par exemple, un projet de recherche de matière noire ultrasensible dirigé par Berkeley Lab en construction dans une ancienne mine du Dakota du Sud, est un candidat possible car il utilisera environ 10 tonnes métriques de xénon liquide comme milieu de détection et est conçu pour être fortement protégé des autres types de bruit de particules.

Déjà, l'équipe de chercheurs participant à l'étude a travaillé avec l'équipe exploitant l'Observatoire du xénon enrichi (EXO), une expérience souterraine à la recherche d'un processus théorique connu sous le nom de double désintégration bêta sans neutrinos utilisant du xénon liquide, d'ouvrir sa recherche à ces autres types de signaux de matière noire.

Et pour des types d'expériences similaires qui sont en cours, "Les données sont déjà essentiellement là. Il suffit de les regarder, " dit Dror.

Les chercheurs nomment une longue liste d'expériences candidates à travers le monde qui pourraient avoir des données pertinentes et des capacités de recherche qui pourraient être utilisées pour trouver leurs signaux cibles, dont :CUORE, LZ prédécesseur LUX, PandaX-II, XENON1T, KamLAND-Zen, SuperKamiokande, CDMS-II, DarkSide-50, et Borexino parmi eux.

Comme prochaine étape, l'équipe de recherche espère travailler avec des collaborations expérimentales pour analyser les données existantes, et pour savoir si les paramètres de recherche des expériences actives peuvent être ajustés pour rechercher d'autres signaux.

"Je pense que la communauté commence à en prendre assez conscience, " Dror dit, ajouter, "L'une des plus grandes questions sur le terrain est la nature de la matière noire. Nous ne savons pas de quoi elle est faite, mais répondre à ces questions pourrait être à notre portée dans un avenir proche. Pour moi, c'est une énorme motivation pour continuer à pousser - il y a une nouvelle physique là-bas. "