Des scientifiques de la collaboration internationale XENON, un groupe expérimental international comprenant le Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), Université de Tokyo ; l'Institut de recherche sur les rayons cosmiques (ICRR), Université de Tokyo ; l'Institut de recherche sur l'environnement espace-Terre (ISEE), Université de Nagoya ; l'Institut Kobayashi-Maskawa pour l'origine des particules et de l'univers (KMI), Université de Nagoya ; et l'École supérieure des sciences, Université de Kobé, ont annoncé aujourd'hui que les données de leur XENON1T, l'expérience sur la matière noire la plus sensible au monde, montrent un excès surprenant d'événements. Les scientifiques ne prétendent pas avoir trouvé de la matière noire. Au lieu, ils ont observé un rythme inattendu d'événements, dont la source n'est pas encore entièrement comprise. La signature de l'excès est similaire à ce qui pourrait résulter d'une infime quantité résiduelle de tritium (un atome d'hydrogène avec un proton et deux neutrons), mais pourrait aussi être le signe de quelque chose de plus excitant, comme l'existence d'une nouvelle particule connue sous le nom d'axion solaire ou l'indication de propriétés auparavant inconnues des neutrinos.

XENON1T a été exploité en profondeur à l'INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso en Italie, de 2016 à 2018. Il a été principalement conçu pour détecter la matière noire, qui représente 85 % de la matière de l'univers. Jusque là, les scientifiques n'ont observé que des preuves indirectes de matière noire, et un définitif, la détection directe reste à faire. Les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) sont parmi les candidats théoriquement préférés, et XENON1T a jusqu'à présent fixé la meilleure limite de leur probabilité d'interaction sur une large gamme de masses WIMP. En plus de la matière noire WIMP, XENON1T était également sensible à différents types de nouvelles particules et interactions qui pourraient expliquer d'autres questions ouvertes en physique. L'année dernière, utilisant le même détecteur, ces scientifiques ont publié dans La nature l'observation de la désintégration nucléaire la plus rare jamais mesurée directement.

Le détecteur XENON1T était rempli de 3,2 tonnes de xénon liquéfié ultra-pur, dont 2,0 t ont servi de cible pour les interactions de particules. Lorsqu'une particule traverse la cible, il peut générer de minuscules signaux de lumière et d'électrons libres à partir d'un atome de xénon. La plupart de ces interactions se produisent à partir de particules dont l'existence est connue. Les scientifiques ont donc soigneusement estimé le nombre d'événements de fond dans XENON1T. Lorsque les données de XENON1T ont été comparées à des arrière-plans connus, un excès surprenant de 53 événements par rapport aux 232 événements attendus a été observé.

Cela soulève la question passionnante :d'où vient cet excès ?

Une explication pourrait être une nouvelle, source d'arrière-plan jusque-là inconsidérée, causée par la présence d'infimes quantités de tritium dans le détecteur XENON1T. Tritium, un isotope radioactif de l'hydrogène, se désintègre spontanément en émettant un électron avec une énergie similaire à ce qui a été observé. Seulement quelques atomes de tritium pour 10 ²⁵ (dix, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 !) des atomes de xénon seraient nécessaires pour expliquer l'excès. Actuellement, il n'y a pas de mesures indépendantes pouvant confirmer ou infirmer la présence de tritium à ce niveau dans le détecteur, une réponse définitive à cette explication n'est donc pas encore possible.

Plus excitant, une autre explication pourrait être l'existence d'une nouvelle particule. En réalité, l'excès observé a un spectre d'énergie similaire à celui attendu des axions produits dans le Soleil. Les axions sont des particules hypothétiques qui ont été proposées pour préserver une symétrie d'inversion du temps de la force nucléaire, et le Soleil peut en être une source importante. Bien que ces axions solaires ne soient pas des candidats à la matière noire, leur détection marquerait la première observation d'une classe bien motivée mais jamais observée de nouvelles particules, avec un impact important sur notre compréhension de la physique fondamentale, mais aussi sur les phénomènes astrophysiques. De plus, les axions produits dans l'univers primitif pourraient également être à l'origine de la matière noire.

Alternativement, l'excès pourrait aussi être dû aux neutrinos, dont des milliards traversent ton corps, sans entrave, chaque seconde. Une explication pourrait être que le moment magnétique (une propriété de toutes les particules) des neutrinos est plus grand que sa valeur dans le modèle standard des particules élémentaires. Ce serait un indice fort pour une autre nouvelle physique nécessaire pour l'expliquer.

Des trois explications envisagées par la collaboration XENON, l'excès observé est le plus cohérent avec un signal d'axion solaire. En termes statistiques, l'hypothèse de l'axion solaire a une signification de 3,5 sigma, ce qui signifie qu'il y a environ un 2/10, 000 chances que l'excès observé soit dû à une fluctuation aléatoire plutôt qu'à un signal. Bien que cette importance soit assez élevée, il n'est pas assez grand pour conclure à l'existence d'axions. La signification des hypothèses de moment magnétique du tritium et du neutrino correspond à 3,2 sigma, ce qui signifie qu'ils sont également cohérents avec les données.

XENON1T passe maintenant à sa prochaine phase - XENONnT - avec une masse de xénon actif trois fois plus grande et un bruit de fond qui devrait être inférieur à celui du XENON1T. Avec de meilleures données de XENONnT, la collaboration XENON est convaincue qu'elle saura bientôt si cet excès est un simple coup de chance statistique, un contaminant de fond, ou quelque chose de bien plus excitant :une nouvelle particule ou interaction qui va au-delà de la physique connue.