Dans une pièce sombre, une cuve d'argon liquide. Parfois, une particule invisible la traverse, heurte un noyau atomique – et une faible lueur jaillit dans le liquide. Grâce à cette lueur, les physiciens tentent de comprendre quelle visiteuse s'est invitée. Peut-être une particule de matière noire, cette substance mystérieuse qui constitue l'essentiel de la matière de l'Univers, mais que personne n'a jamais vue.

Le détecteur DarkSide-50 est exactement une telle cuve, mais de petite taille : il ne contient que 46 kilogrammes d'argon. À titre de comparaison, d'autres installations similaires pèsent des centaines, voire des milliers de kilogrammes. Pourtant, même avec cette taille modeste, DarkSide-50 a réussi à établir l'une des meilleures limites sur la masse des particules légères de matière noire – jusqu'à 1,2 gigaelectronvolt. C'est à peu près la masse d'un proton. Pour obtenir ce résultat, les physiciens ont dû comprendre avec une grande précision comment le noyau d'argon cède de l'énergie lors d'une collision. Ce processus s'appelle le rendement d'ionisation, et c'est précisément ce qui a été mesuré dans quatre expériences différentes : DarkSide-50, ARIS, SCENE et ReD.

Désormais, toutes ces données ont été réunies pour construire un modèle commun. Il décrit combien d'électrons sont arrachés à l'atome lors de l'impact d'une particule, sur une large gamme d'énergies – de 0,4 à 150 kiloélectronvolts. Le modèle repose sur une idée simple : le noyau et les électrons éjectés interagissent à l'intérieur d'une petite « boîte » – c'est le modèle de Thomas-Imel. Mais même dans ce modèle, il y a un choix : comment décrire exactement la répulsion entre les noyaux lors de la collision. Les scientifiques ont testé trois variantes et, grâce à une comparaison bayésienne de modèles, ont découvert que deux d'entre elles s'accordent mal avec les données, tandis que la troisième – la fonction de Lenz-Jensen – convient le mieux.

Le nouveau modèle a aidé DarkSide-50 à devenir encore plus sensible aux particules légères de matière noire – celles de moins de 3 gigaelectronvolts. Et surtout, il a affiné les calculs pour le futur détecteur DarkSide-20k, qui sera des centaines de fois plus grand. Quand il entrera en service, la matière noire aura encore moins d'endroits où se cacher.

La même cuve d'argon liquide écoute désormais le silence avec plus d'attention. Et si la matière noire existe vraiment, son murmure deviendra plus fort.