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Un détecteur souterrain a capturé les particules insaisissables du Soleil et fixé une nouvelle limite pour la matière noire.
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Au plus profond des Apennins, dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, quelque chose tressaille imperceptiblement tous les quelques jours. C'est un neutrino solaire — une particule fantôme née dans la fournaise thermonucléaire du Soleil — qui a parcouru 150 millions de kilomètres à travers le vide et la roche pour enfin percuter un noyau de xénon. Le détecteur XENONnT, tel un pêcheur de perles patient, a collecté ces rares éclats de lumière pendant sept ans, et en a accumulé assez pour affirmer avec certitude : le signal est là.
Les neutrinos interagissent à peine avec la matière — des trillions de ces particules traversent votre corps chaque seconde sans toucher un seul atome. Mais parfois, très rarement, un neutrino frappe directement un noyau de xénon, qui rebondit comme une boule de billard sous le choc de la queue. L'éclair de lumière produit par ce rebond est la précieuse prise du détecteur. En sept ans d'observations, les physiciens ont compté environ 11 événements de ce type, dus aux neutrinos nés de la désintégration du bore-8 au cœur du Soleil. Cela a permis de mesurer le flux de neutrinos solaires — il concorde avec les estimations précédentes, mais avec une meilleure précision.
Les neutrinos solaires ne sont pas seulement des messagers venus du centre de l'étoile, ils constituent aussi un bruit de fond qui gêne la recherche de matière noire. Lorsque la sensibilité du détecteur atteint un certain seuil, le signal des neutrinos devient indiscernable de celui des particules hypothétiques de matière noire — c'est le « brouillard de neutrinos ».
Ce brouillard est devenu la principale limitation pour la chasse à la matière noire légère. Les scientifiques ont augmenté le temps d'observation de 93 % par rapport à la recherche précédente, mais la sensibilité aux particules hypothétiques de masse 5 GeV (environ cinq protons) n'a progressé que de 10 %. Accumuler davantage de données n'aidera guère : le bruit de fond des neutrinos ne peut plus être surmonté. En revanche, ces mêmes données ont permis de mesurer l'angle de mélange de l'interaction faible à des énergies extrêmement basses — une grandeur qui teste le modèle standard de la physique des particules. Pour l'instant, tout concorde avec la théorie, mais nous disposons désormais d'une règle pour mesurer les écarts.
Ainsi, le détecteur souterrain construit pour chercher la matière noire est devenu aussi un instrument de précision pour étudier le Soleil et les forces fondamentales. Chaque fantôme capturé est à la fois un message venu du centre de l'étoile et un examen rigoureux pour nos conceptions de l'Univers.
Pendant les sept années de l'expérience, environ $10^{28}$ neutrinos solaires ont traversé le détecteur XENONnT, mais seulement une petite dizaine (environ 11) ont laissé une trace visible — à quel point ces particules sont insociables.
Dans le roman d'Arthur C. Clarke « Tempête solaire », les neutrinos sont utilisés pour communiquer à travers l'épaisseur de la Terre — presque comme dans l'expérience réelle, où les particules traversent les montagnes sans les remarquer.