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Une recherche super sensible sur la matière noire donne des résultats étranges

Alors que la recherche WIMP revenait à vide, les scientifiques de XENON ont réalisé il y a plusieurs années qu’ils pouvaient utiliser leur expérience pour rechercher d’autres types de particules inconnues qui pourraient passer à travers le détecteur: des particules qui frappent dans un électron plutôt qu’un noyau de xénon.

Ils avaient l’habitude de traiter ces «recul électroniques» comme du bruit de fond, et en fait, bon nombre de ces événements sont causés par des sources banales telles que le plomb radioactif et les isotopes du krypton. Mais après avoir apporté des améliorations pour réduire considérablement leurs contaminations de fond au fil des ans, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient rechercher des signaux dans le bruit de bas niveau.

Dans leur nouvelle analyse, les physiciens ont examiné les recul électroniques dans la valeur de la première année de données XENON1T. Ils s’attendaient à voir environ 232 de ces recul, causés par des sources connues de contamination de fond. Mais l’expérience en a vu 285, un excédent de 53 qui signifie une source non comptabilisée.

L’équipe a gardé la découverte secrète pendant environ un an. « Nous avons travaillé et travaillé et essayé de comprendre », a déclaré Aprile. « Je veux dire, ces pauvres étudiants! » Après avoir rejeté toutes les sources d’erreur possibles auxquelles ils pouvaient penser, les chercheurs ont trouvé trois explications qui correspondraient à la taille et à la forme de la bosse dans leurs graphiques de données.

Le premier et peut-être le plus excitant est «l’axion solaire», une particule hypothétique produite à l’intérieur du soleil qui serait similaire à un photon mais avec une quantité minuscule de masse.

Les axions produits récemment au soleil ne pourraient pas être la matière noire qui a façonné le cosmos depuis les temps primordiaux. Mais si l’expérience a détecté des axions solaires, cela signifie que les axions existent. « Un tel axion pourrait également être produit dans le premier univers et constituerait alors une composante de la matière noire », a déclaré Peter Graham, physicien des particules à l’Université de Stanford qui a théorisé sur les axions et les moyens de les détecter.

Les chercheurs ont déclaré que l’énergie des axions solaires déduite de la bosse de XENON1T ne correspond pas aux modèles les plus simples de matière noire des axions, mais que des modèles plus compliqués peuvent probablement les réconcilier.

Une autre possibilité est que les neutrinos – la plus mystérieuse des particules connues de la nature – puissent avoir de grands moments magnétiques, ce qui signifie qu’ils sont comme de petits aimants en barre. Une telle propriété leur permettrait de se diffuser avec des électrons à un rythme amélioré, expliquant le surplus de recul électronique. Graham a déclaré que les neutrinos possédant un moment magnétique « seraient également très excitants car ils indiquent une nouvelle physique au-delà du modèle standard ».

Mais il est également possible que des traces de tritium, un isotope d’hydrogène rare, soient présentes dans le réservoir de xénon, et que leurs désintégrations radioactives génèrent un recul électronique. Cette possibilité «ne peut être ni confirmée ni exclue», écrit l’équipe XENON1T dans son article.

Des chercheurs extérieurs disent qu’il n’y a «pas de drapeaux rouges, mais oranges», comme l’a dit Falkowski, qui pointent vers la réponse ennuyeuse. Plus important encore, si le soleil crée des axions, alors toutes les étoiles le font. Ces axions éloignent une petite quantité d’énergie de l’étoile, comme la vapeur emportant l’énergie d’une bouilloire bouillante. Dans les étoiles très chaudes comme les géantes rouges et les naines blanches, où la production d’axions devrait être la plus importante, cette perte d’énergie serait suffisante pour refroidir les étoiles. « Un nain blanc produirait tellement d’axions que nous ne verrions pas de nains blancs chauds aujourd’hui comme nous le faisons », a déclaré Zurek.

Les neutrinos avec de grands moments magnétiques ont été également défavorisés: par rapport aux neutrinos standard, un plus grand nombre d’entre eux seraient produits spontanément à l’intérieur des étoiles, sapant davantage l’énergie des étoiles et refroidissant les étoiles chaudes plus que ce qui est observé.

Mais cette logique pourrait être défectueuse, ou une autre particule ou un autre effet pourrait expliquer la bosse de XENON1T. Heureusement, la communauté de la physique n’aura pas à attendre longtemps pour obtenir des réponses; Le successeur de XENON1T, l’expérience XENONnT – qui surveillera les reculs dans 8,3 tonnes de xénon – est en bonne voie pour commencer la collecte de données plus tard cette année. « Si l’excédent est là et au même niveau », a déclaré Grandi, « nous nous attendons à pouvoir faire la distinction entre [the possibilities] en quelques mois de collecte de données. « 

« Une chose est claire », a déclaré Juan Collar, un physicien de la matière noire à l’Université de Chicago qui n’est pas impliqué dans l’expérience. «Le programme XENON continue de montrer la voie dans le domaine de la matière noire. L’expérience la plus sensible sera la première à se heurter à l’inattendu, et XENON continue de maintenir une prise solide sur cette pole position prisée. »

Histoire originale réimprimée avec la permission de Magazine Quanta, une publication indépendante de la rédaction de la Fondation Simons dont la mission est d’améliorer la compréhension publique des sciences en couvrant les développements et les tendances de la recherche en mathématiques et en sciences physiques et de la vie.

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