Les expériences sur la matière noire jettent un premier coup d'œil sur le 'brouillard de neutrinos'

Le "brouillard" de neutrinos commence à se matérialiser.

Des particules subatomiques légères appelées neutrinos ont commencé à se frayer un chemin dans les données d'expériences conçues non pas pour les repérer. Deux expériences, construites pour détecter les particules de matière noire, ont aperçu des premiers signes de neutrinos nés dans le soleil, rapportent les physiciens. "C'est un triomphe", déclare la physicienne des neutrinos Kate Scholberg de l'Université Duke, qui n'a pas participé à la recherche. Les indices de ces neutrinos sont un signe tant attendu de l'amélioration des performances des détecteurs. "C'est en fait une étape importante," dit Scholberg.

Surnommé le "brouillard de neutrinos", cette signature suggère une nouvelle façon d'étudier les particules subatomiques difficiles à détecter. Mais cela annonce également le début de la fin pour les détecteurs de matière noire de ce type, qui visent à repérer les particules massives non identifiées qui constituent une part importante de l'univers. À mesure que ces détecteurs deviennent plus performants, le brouillard de neutrinos pourrait obscurcir les éventuels signes de matière noire.

L'expérience XENONnT (prononcée "xénon n-ton"), au Laboratoire national du Gran Sasso en Italie, a vu des signes de neutrinos produits dans le soleil, ont rapporté les physiciens le 10 juillet lors de l'Atelier international sur l'identification de la matière noire à L'Aquila, en Italie. Et l'expérience PandaX-4T, au Laboratoire souterrain de China Jinping à Liangshan, a vu des preuves similaires, ont rapporté les chercheurs lors de l'atelier le 8 juillet et dans un document soumis le 15 juillet à arXiv.org.

Le résultat "ouvre une nouvelle porte à l'utilisation de nos détecteurs pour étudier les neutrinos et rechercher de nouveaux phénomènes physiques associés," déclare le physicien Ning Zhou de l'Université Jiao Tong de Shanghai, un porte-parole adjoint de PandaX.

Dans les processus de fusion nucléaire qui alimentent le soleil, une multitude de neutrinos est produite dans diverses réactions (SN : 9/1/14). Certains des plus énergétiques proviennent de la désintégration radioactive du bore-8, un type de bore créé pendant le processus de fusion. Les scientifiques avaient longtemps prédit que ces neutrinos sont suffisamment répandus, et ont les énergies appropriées, pour être observés dans les détecteurs de matière noire. C'est ce que les deux détecteurs de matière noire ont trouvé.

Chaque expérience contient plusieurs tonnes métriques de xénon liquide. Si une particule de matière noire entre en collision avec le noyau d'un atome de xénon, les expériences peuvent détecter ce noyau en recul, révélant ainsi la présence de matière noire. Mais les neutrinos peuvent également frapper les noyaux atomiques, provoquant des reculs similaires. Ce type d'interaction, dans lequel un neutrino percute tout un noyau atomique plutôt qu'un seul proton ou neutron, a été observé pour la première fois en 2017 dans l'expérience COHERENT, utilisant des neutrinos d'une source de laboratoire. Les deux nouvelles expériences marquent les premiers signes de collision de noyaux par des neutrinos du soleil. Auparavant, les scientifiques avaient détecté les neutrinos solaires par d'autres moyens.

À l'avenir, détecter les neutrinos solaires via les noyaux qu'ils percutent pourrait aider les physiciens à mieux comprendre ces particules. Par exemple, les scientifiques pourraient étudier le signal des neutrinos pour rechercher ce que les détecteurs pourraient ne pas détecter : les neutrinos "stériles" hypothétiques qui n'interagiraient pas du tout avec la matière, à l'exception des forces gravitationnelles. Les détecteurs de matière noire pourraient également repérer des neutrinos d'autres sources, telles que des étoiles proches en explosion.

Il n'y a pas encore de limite aux performances des détecteurs de matière noire imposée par les neutrinos. Le signal de neutrinos solaires n'obscurcirait que les particules de matière noire de faible masse, qui tombent en dehors de la plage de masse que ces détecteurs scrutinent de manière plus attentive pour la matière noire. Il reste encore un long chemin à parcourir avant que les neutrinos commencent à submerger la détection de matière noire pour des masses plus élevées.

La prochaine génération de détecteurs de matière noire, au-delà de XENONnT et PandaX-4T, devrait toujours être capable de rechercher la matière noire. Mais l'amélioration ultérieure commencera à devenir difficile. Au lieu de cela, les scientifiques pourraient passer à des détecteurs mesurant la direction des particules entrantes. Cela permettrait aux chercheurs de rechercher des interactions sombres provenant d'ailleurs que du soleil, éliminant ainsi les neutrinos solaires de leurs données.