Le chef d'orchestre invisible : comment un signal rare dans un détecteur explique la matière noire
Dans un laboratoire souterrain, le détecteur LUX-ZEPLIN attend de rares collisions. En temps normal, la matière noire le traverse 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 de l'Univers.
La réponse se trouve dans un modèle avec une particule qui agit comme un chef d'orchestre : elle est invisible, mais elle régit les interactions via une charge faible dépendant du spin. Le chef lève sa baguette, et les musiciens ne répondent que si leurs instruments sont orientés d'une certaine manière. De même ici : la matière noire interagit avec les noyaux de xénon par l'intermédiaire du boson Z, et la force de cette interaction dépend de l'orientation relative des spins. Pour éviter des signaux faibles superflus, les auteurs ont ajusté le couplage avec le boson de Higgs de sorte qu'il s'annule, comme si le chef baissait les bras à un moment précis.
Ce modèle n'explique pas seulement le recul rare. Il relie trois observations : le spectre des reculs dans le xénon, l'abondance de matière noire résiduelle du Big Bang, et le flux de neutrinos solaires. Comme un chef 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. Ainsi, un recul rare dans un seul détecteur devient une clé pour tester une théorie unifiée reliant la matière noire, le Soleil et l'Univers primordial.
L'événement de LZ a une signification locale de 3.4σ, mais globale de seulement 2.6σ, ce qui n'est pas suffisant pour une découverte, mais assez pour stimuler les modèles théoriques.
L'idée d'une matière noire interagissant par des forces faibles et laissant de rares traces dans les détecteurs fait écho au roman « Matière noire » de Blake Crouch, où le héros est confronté à une substance invisible qui modifie la réalité.