Dans un laboratoire souterrain du Dakota du Sud, le détecteur LUX-ZEPLIN, rempli de xénon liquide, attend de rares collisions. En général, les particules de matière noire le traversent sans laisser de trace, mais un jour, un noyau de xénon a été déplacé avec une énergie de 248 keV. C'est un choc trop fort pour les modèles habituels où la matière noire ne fait qu'effleurer les noyaux. Les physiciens ont cherché une explication qui ne contredise pas tout ce que l'on sait par ailleurs sur l'Univers.

La réponse se trouve dans un modèle avec une particule semblable à un chef d'orchestre : elle est invisible, mais elle dirige les interactions via une charge faible dépendante du spin. Imaginez un chef d'orchestre qui agite sa baguette, et les musiciens ne répondent que si leurs instruments sont orientés d'une certaine manière. Ici, c'est pareil : la matière noire interagit avec les noyaux de xénon via le boson Z, et la force de cette interaction dépend de l'orientation mutuelle des spins. Pour éviter les signaux faibles superflus, les auteurs ont ajusté le couplage avec le boson de Higgs de sorte qu'il s'annule, comme si le chef d'orchestre baissait les bras à un moment donné.

Ce modèle n'explique pas seulement le rebond rare. Il relie trois choses observables : le spectre des rebonds dans le xénon, la quantité de matière noire restant du Big Bang, et le flux de neutrinos solaires. Comme un chef d'orchestre qui donne le tempo à tout l'orchestre, les paramètres du modèle déterminent à la fois le signal dans le détecteur, la densité cosmologique et la capture solaire. Les scientifiques ont calculé que pour une masse de particule d'environ 0.5 TeV et une force de couplage de l'ordre de 0.1, on attend de 0.5 à 2 événements dans la fenêtre d'énergie de 100 à 270 keV, ce qui est cohérent avec l'observation. De plus, la densité relique tombe dans la plage attendue, et les neutrinos solaires produits par l'annihilation de la matière noire sont déjà partiellement contraints par IceCube.

Le chef d'orchestre poursuit son œuvre : la main invisible de la matière noire pourrait laisser des traces non seulement dans les détecteurs à xénon, mais aussi dans les télescopes à neutrinos. Des recherches améliorées avec IceCube et de futures installations resserreront la région des paramètres autorisés, et dans les collisionneurs comme FCC-hh ou un collisionneur de muons, on pourra chercher des partenaires chargés de la matière noire via des événements avec leptons mous et énergie manquante. Ainsi, un rebond rare dans un détecteur devient la clé pour tester une théorie unifiée reliant la matière noire, le Soleil et l'Univers primordial.