La recherche de matière noire dans les détecteurs directs ne fournit pas de signal sans ambiguïté depuis deux décennies, et la sensibilité approche du fond irréductible des neutrinos. Dans ce contexte, un candidat unique à haute énergie, 248 keV, enregistré par LZ avec une exposition de 2,84 tonne-années, paraît intrigant : l'hypothèse de fond est rejetée à un niveau de 2,6σ. Le problème ne tient pas à l'énergie de recul elle-même, mais au fait que la diffusion élastique du halo de matière noire produirait un spectre décroissant de façon monotone avec un excès marqué aux basses énergies, excès qui n'est pas observé. Pour transmettre au noyau de xénon une impulsion d'environ 246 MeV, il faut soit une particule lourde de masse supérieure à 79 GeV, soit une particule légère mais relativiste. Ce travail s'inscrit dans la série de nombreuses tentatives pour expliquer cet événement, mais il s'en distingue par une comparaison systématique de deux mécanismes de suppression de la queue basse énergie dans un cadre unique et indépendant du modèle.
Les auteurs utilisent une théorie effective des champs avec des opérateurs de contact de dimension six : scalaire-scalaire, pseudoscalaire-scalaire et pseudoscalaire-pseudoscalaire. Pour la matière noire inélastique, une séparation de masses δ est introduite entre deux états, ce qui interdit cinématiquement les reculs de basse énergie. Pour la matière noire accélérée, on considère une particule légère née de l'annihilation d'une composante plus lourde dans le halo, ce qui donne un flux monoénergétique avec un facteur de Lorentz égal au rapport des masses. Pour chaque combinaison, un spectre prédit complet est construit en tenant compte du facteur de forme nucléaire de Helm, de l'efficacité de détection de LZ et de la résolution en énergie, puis un profil de vraisemblance est effectué sur l'échelle d'interaction Λ. La comparaison avec l'événement unique se réduit à la forme du spectre normalisé, puisque Λ disparaît de l'analyse de forme.
Les deux scénarios donnent des spectres qualitativement différents. Pour la matière noire inélastique avec une masse de 1 TeV et une séparation de 300 keV, la fraction d'événements sous 150 keV est de 17,4 % pour l'opérateur scalaire, de 14,1 % pour le pseudoscalaire-scalaire et de 6,0 % pour le pseudoscalaire-pseudoscalaire. Pour la matière noire accélérée avec une masse de 10 GeV et une impulsion de 500 MeV, ces mêmes fractions valent respectivement 99 %, 92 % et 25 %. Autrement dit, dans le scénario accéléré, seule l'interaction pseudoscalaire-pseudoscalaire place la majorité des événements au-dessus de 150 keV, ce qui concorde avec l'observation. Dans le cas inélastique, la séparation préférée δ diminue de façon monotone lorsque la dépendance à l'impulsion se renforce : de l'opérateur scalaire vers le pseudoscalaire-pseudoscalaire. La limite cinématique pour le scénario inélastique donne δ ≤ 385 keV, tandis que le scénario accéléré exige une masse supérieure à 78,7 GeV si la vitesse est limitée par la vitesse d'échappement de la Galaxie.
Le travail montre qu'un seul événement ne suffit pas à trancher entre matière noire inélastique et matière noire accélérée, mais que la forme du spectre dans la fenêtre de haute énergie est sensible au type d'interaction. Contrairement aux travaux voisins, qui examinent généralement un mécanisme précis, les deux scénarios sont ici analysés sur un pied d'égalité dans le cadre d'une même théorie effective. Cela permet de comparer directement les prédictions et met en évidence une dégénérescence entre la structure de l'opérateur et la séparation de masses dans le cas inélastique. Une telle approche fournit un modèle pour les futures interprétations d'événements rares dans les détecteurs de recherche directe.
Si LZ atteint son exposition complète et enregistre quelques événements supplémentaires dans la région 200-270 keV, la forme du spectre permettra de distinguer le scénario inélastique du scénario accéléré. Pour la matière noire accélérée, la mesure de la fraction d'événements sous 150 keV deviendra déterminante : les opérateurs scalaire et pseudoscalaire-scalaire y donnent plus de 90 % des événements, tandis que le pseudoscalaire-pseudoscalaire n'en donne que 25 %. Des contraintes supplémentaires pourraient venir de détecteurs à cible différente, par exemple l'argon ou le fluor, où les seuils cinématiques sont autres. On peut aussi rechercher les signaux du même mécanisme dans les télescopes à neutrinos ou dans le rayonnement gamma du centre galactique.
Les résultats influeront sur l'interprétation des données de tous les détecteurs au xénon, tels que XENONnT et PandaX-4T, ainsi que sur la planification de futures expériences à plus grande exposition. Ils sont également utiles aux théoriciens qui construisent des modèles de secteur sombre à plusieurs états ou à particules légères accélérées.
La prochaine étape est l'analyse de l'exposition complète de LZ et la recherche d'événements supplémentaires dans la fenêtre 200-270 keV. En parallèle, il conviendrait de mener une comparaison analogue pour d'autres opérateurs de la théorie effective, y compris ceux dépendant du spin, et pour d'autres profils de distribution des vitesses du halo.
En physique de la matière noire, la nature de la particule et de ses interactions reste une question ouverte. Ce travail est directement lié au problème de l'interprétation d'événements uniques dans des conditions de faible statistique et à la dégénérescence entre masse, séparation et structure d'interaction. Il aborde aussi la question de la confiance que l'on peut accorder aux opérateurs effectifs pour de grands transferts d'impulsion, lorsque l'échelle Λ devient comparable à l'impulsion.
Pour la matière noire accélérée avec une interaction pseudoscalaire-pseudoscalaire, 22 % des événements tombent dans la fenêtre 225-271 keV, là où se trouve le candidat enregistré, alors que pour l'opérateur scalaire, seulement 0,14 % y tombent.
L'idée de matière noire accélérée rappelle des récits où des particules invisibles tirent leur énergie de la désintégration ou de l'annihilation de congénères plus lourds, comme dans certaines histoires de secteurs sombres, mais il n'y a pas de référence directe à une œuvre de science-fiction connue.