L'événement LZ230616 fait figure d'exception : il s'agit d'un recul nucléaire unique à haute énergie dans le détecteur LZ, où le bruit de fond est presque absent. À côté de ce travail, on trouve dans les archives des études qui relient la matière noire à la masse des neutrinos, qui explorent le higgsino dans le xénon liquide et qui expliquent les signaux rares du détecteur LZ par un chef d'orchestre invisible. Il existe aussi des travaux sur le dineutron, le fond de neutrinos des supernovas et les neutrinos de l'Univers primordial. Tous cherchent, d'une manière ou d'une autre, de nouvelles particules ou interactions via les détecteurs à xénon. Le présent article teste l'hypothèse la plus conservatrice : l'événement n'aurait-il pas pu être causé par des neutrinos ordinaires ou exotiques via diffusion élastique ?
Les auteurs ont calculé les spectres de reculs nucléaires issus de la diffusion élastique cohérente des neutrinos sur les noyaux de xénon. Ils ont utilisé une exposition de LZ de 2,84 tonnes·an et tenu compte de la résolution en énergie du détecteur par un lissage gaussien de largeur 1,46√T_N keV. La région du signal est définie comme l'intervalle 225-271 keV, qui contient l'événement LZ230616. Pour chaque source de neutrinos, les paramètres ont été ajustés afin d'obtenir exactement un événement dans la région du signal, puis on a vérifié combien d'événements sont prédits à des énergies inférieures à 225 keV. Ont été considérés les neutrinos solaires, atmosphériques et reliques standard, ainsi que les neutrinos issus de l'annihilation et de la désintégration de la matière noire et de l'évaporation des trous noirs primordiaux. Pour les nouvelles interactions, des médiateurs léger scalaire et vectoriel ont été introduits.
Les neutrinos astrophysiques standard ne donnent dans la région du signal qu'environ 2×10⁻⁶ événements, soit six ordres de grandeur de moins que nécessaire. L'introduction de nouveaux médiateurs scalaires ou vectoriels, qui renforcent la section efficace pour obtenir un événement à 248 keV, fait apparaître de l'ordre de 10⁵ événements dans les bins de basse énergie. Cela contredit les observations de LZ. Pour les neutrinos issus de l'annihilation de matière noire, la section efficace d'annihilation requise ⟨σv⟩≳10⁻¹⁸ cm³/s est de plusieurs ordres de grandeur supérieure aux limites existantes, et la courbe R_I=1 se situe entièrement dans la région exclue par l'excès d'événements de basse énergie. De même, pour la matière noire qui se désintègre, le temps de vie requis τ_χ≲10¹⁵ s est bien inférieur aux limites établies. Pour les trous noirs primordiaux, obtenir un seul événement exige une fraction f_PBH≥95 pour une masse de 8×10¹⁴ g, ce qui dépasse la densité totale de matière noire, tandis que l'excès à basse énergie atteint 10²³ événements pour des trous noirs plus massifs.
Ce travail se distingue des études voisines en ce qu'il ne propose pas un nouveau modèle de matière noire, mais exclut systématiquement toute une classe d'explications par diffusion élastique des neutrinos. Si les travaux voisins cherchent un signal positif, ici on montre que la diffusion élastique des neutrinos, quelle qu'en soit l'origine, ne peut produire un événement isolé à haute énergie sans saturer la région de basse énergie. C'est la première vérification de ce type pour l'événement LZ230616. Le résultat renforce la position des mécanismes inélastiques, comme la diffusion endothermique ou exothermique de la matière noire, qui peuvent créer un seuil et localiser le signal.
Le sujet pourrait évoluer vers une étude détaillée des processus inélastiques impliquant la matière noire, qui expliquent naturellement les événements isolés à haute énergie. Une analyse des signaux de neutrinos tenant compte de la diffusion inélastique sur les noyaux est également envisageable, ce qui nécessiterait des modèles nucléaires plus complexes. En outre, les futures données de LZ avec une exposition plus grande permettront de vérifier si LZ230616 est une fluctuation statistique ou la première indication d'une nouvelle physique.
Le résultat est important pour l'interprétation des données des détecteurs de matière noire à xénon liquide, tels que LZ, XENONnT et PandaX-4T. Il impose aussi des contraintes sur les modèles à médiateurs légers et sur les scénarios avec neutrinos issus de la matière noire et des trous noirs primordiaux.
L'étape suivante consiste à vérifier les canaux inélastiques de diffusion, qui pourraient reproduire l'événement LZ230616 sans excès à basse énergie. Il est également important d'accumuler davantage de données de LZ pour préciser la signification statistique de l'événement.
En physique de la matière noire, la nature des particules de matière noire et de leurs interactions non gravitationnelles reste un problème non résolu. Ce travail réduit l'espace des hypothèses en excluant la diffusion élastique des neutrinos comme explication d'un événement rare à haute énergie, ce qui pousse vers des modèles à processus inélastiques ou à nouvelles particules.
Pour obtenir un seul événement dû aux trous noirs primordiaux, il faudrait qu'ils représentent une fraction de la matière noire f_PBH≥95, ce qui signifie qu'il devrait y avoir plus de trous noirs que de matière noire dans tout l'Univers. C'est physiquement impossible.