Des indices d'un 'brouillard de neutrinos' pourraient compliquer les efforts pour détecter la matière noire

Le 12 novembre 2024 fonctionnalité Cet article a été examiné selon le processus éditorial et les politiques de Science X. Les éditeurs ont souligné les caractéristiques suivantes tout en veillant à la crédibilité du contenu : vérification des faits publication évaluée par les pairs source de confiance relecture par David Appell, Phys.org Comme si la recherche de la matière sombre n'était pas déjà assez difficile, les physiciens auraient détecté un autre obstacle connu sous le nom de "brouillard de neutrinos" provenant des neutrinos solaires traversant la Terre. 

Plusieurs expériences sont actuellement en cours pour détecter la matière sombre, cette hypothétique substance qui constituerait 27 % de la masse-énergie de l'univers et expliquerait les courbes de rotation des galaxies et plus encore. On s'attend à ce que la matière sombre soit constituée de particules froides interagissant très peu avec la matière ordinaire - on les appelle donc des particules massives interagissant faiblement (WIMPs). Une méthode de détection largement espérée est l'utilisation de conteneurs de stockage souterrains en xenon sous sa forme liquide. 

L'espoir est que la matière sombre qui frappe la Terre traversera la roche au-dessus d'elle pour atteindre le détecteur, filtrant ainsi pratiquement tous les rayons cosmiques qui frappent également la Terre. Cependant, les neutrinos sont également des particules qui interagissent très faiblement et peuvent atteindre des profondeurs souterraines, le Soleil fournissant un grand flux d'entre eux - pour des énergies inférieures à 18 MeV/c2, jusqu'à 700 billions par seconde sur chaque mètre carré. 

Presque l'intégralité passe directement à travers la Terre, mais quelques-uns seulement vont réagir avec un atome ou un noyau. 

À mesure que les détecteurs deviennent de plus en plus sensibles, ce "brouillard de neutrinos" peut interférer avec leur capacité à détecter la matière sombre. Il semble maintenant que cela a été observé dans deux expériences souterraines à la recherche de matière sombre : l'expérience PandaX-4T située au Laboratoire souterrain de China Jinping situé au Sichuan et l'expérience XENONnT au Laboratoire national du Gran Sasso en Italie. 

Les deux groupes ont publié des articles le même jour dans Physical Review Letters avec des preuves d'interactions de neutrinos dans leur détecteur à partir de reculs nucléaires alors qu'un neutrino se disperse d'un noyau de xénon. Bien que leurs résultats soient juste en dessous du test de significativité à trois sigmas que les physiciens utilisent habituellement comme preuve, ils n'atteignent pas encore la norme à cinq sigmas pour une découverte. Cependant, les résultats laissent entendre que le brouillard de neutrinos pourrait bien compliquer leurs futurs efforts. 

Les neutrinos solaires sont produits dans la chaîne de réactions nucléaires du Soleil, lorsque le 8B (boron) se désintègre en 8Be* (béryllium dans un état excité et instable), un positron et un neutrino électronique. (Le bore a un numéro atomique de 5, avec cinq protons dans son noyau et six neutrons ; 8B est un radioisotope avec deux neutrons supplémentaires dans le noyau, et une demi-vie de seulement 772 millisecondes.) 

Ces neutrinos, qui représentent seulement 0,02% de tous les neutrinos solaires, s'échappent facilement du plasma solaire et certains se dirigent vers la Terre, perturbant impoliment les détecteurs de matière sombre. Ceux qui se dispersent le font par un processus appelé diffusion cohérente élastique neutrino-noyau, ou CEνNS. (La lettre grecque nu (ν) est le symbole commun pour un neutrino.) 

Le neutrino interagit avec le noyau dans son ensemble et est plus probable que les interactions avec les nucléons ou les électrons individuels. Le processus de diffusion CEνNS a été découvert dans un accélérateur en 2017, mais pour les faibles énergies des neutrinos, il est très difficile à observer car le noyau qui rebondit a une faible énergie, aussi basse que 1 keV/c2. Les détecteurs consistent en 1 à 2 mètres cubes de xénon liquide avec une masse de 4 à 6 tonnes, à une température d'environ -110°C (163 K), installés à 1400 mètres sous la surface en Italie, 2400 mètres en Chine. 

L'objectif primaire initial pour les deux est de détecter la matière sombre. 

Chacun a rassemblé des données provenant de deux séries d'expériences différentes sur une période de deux ans, recherchant des interactions de diffusion CEνNS basées sur des prédictions théoriques comprenant les performances du détecteur et le flux connu des neutrinos 8B. 

Le détecteur de XENONnT a observé 11 événements de CEνNS via l'analyse de données par apprentissage automatique (et 26 événements attribués à des sources de fond), tandis que PandaX-4T a rapporté 75 événements. Bien que le détecteur de XENONnT ait 60% de volume en plus et ait bénéficié d'un temps d'exposition de masse effectif 60% plus élevé, PandaX-4T est un kilomètre plus profondément enfoui sous terre. Mais la raison principale du nombre plus élevé de PandaX-4T est un seuil d'énergie plus bas pour ce qui constitue une interaction. 

L'inconvénient de ce seuil plus bas est un bruit de fond plus important pour l'analyse des données à passer et à éliminer. Les deux ont mesuré un flux de neutrinos du soleil qui, en superposition, est conforme à ce que les modèles solaires standard du soleil prédisent - environ 50 milliards de neutrinos/m2/s, et une section efficace de la diffusion CEνNS pour le xénon conforme au modèle standard de la physique des particules.

En fin de compte, chaque expérience a obtenu une confiance statistique similaire quant à la détection des interactions de CEνNS de 8B - 2,64 sigma pour PandaX-4T et 2,73 sigma pour XENONnT. (Un niveau de confiance de 3-sigma signifie que le résultat a une chance de 0,3% d'être une fluctuation de l'arrière-plan ; 5-sigma n'a qu'une chance de 0,00006%.) Comme mentionné ci-dessus, ces niveaux ne sont pas assez élevés pour que les résultats soient considérés comme des preuves.

« Avec la prise de données continue de PandaX-4T et les futures mises à niveau, nous nous attendons à améliorer significativement la mesure des neutrinos de 8B, ouvrant de nouvelles opportunités passionnantes en sciences de l'antimatière profonde », a écrit la Collaboration PandaX. « Le développement de détecteurs de xénon liquide pourrait également ouvrir de nouvelles voies pour la détection des neutrinos à basse énergie en utilisant le canal CEνNS ».

La Collaboration XENON a écrit : « Alors que XENONnT continue à prendre des données, des mesures plus précises sont attendues à l'avenir », espérant dépasser le seuil de 3-sigma pour les preuves.

Plus d'informations :     Zihao Bo et al. (Collaboration PandaX), Première indication de neutrinos solaires de 8B à travers une diffusion cohérente des neutrinos-nucléons élastique dans PandaX-4T, Lettres de révision physique, 2024. DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.191001

E. Aprile et al. (Collaboration XENON), Première indication des neutrinos solaires de 8B via une diffusion cohérente des neutrinos-nucléons élastique avec XENONnT, Lettres de révision physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.191002. journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.133.191002

Informations sur la revue :     Lettres de révision physique

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