Accueil Facktualité Le WIMP est mort, vive l'Axion solaire!

Le WIMP est mort, vive l'Axion solaire!

Pendant des décennies, les scientifiques ont construit des détecteurs profondément souterrains pour rechercher la matière noire. Maintenant, l'une de ces expériences, le détecteur XENON1T, a trouvé un signal inattendu dans leurs données. Bien que le signal ne provienne pas de la matière noire, il peut encore révolutionner la physique.

Depuis les années 1980, la majorité des scientifiques pensent que l'explication la plus probable du problème de masse manquante est une particule massive à interaction faible encore inconnue (WIMP). Ils ont également pensé que si vous construisez un détecteur suffisamment grand et sensible, nous devrions être en mesure d'attraper ces particules qui traversent constamment la Terre. Ainsi, depuis le début des années 1990, nous installons des détecteurs fabriqués à partir de matériaux ultrapurs dans des tunnels et des mines où ils sont protégés du rayonnement cosmique et de la radioactivité naturelle.

Au cours des décennies, ces détecteurs ont augmenté leur sensibilité d'un facteur d'environ 10 millions en raison de techniques de plus en plus sophistiquées de blindage et de discrimination contre les antécédents susmentionnés. Jusqu'à présent, ils n'ont pas trouvé de matière noire, mais cela ne signifie pas que les installations de détection haut de gamme ne seront pas utilisées.

Pas de matière noire à ce jour

Malheureusement, à part une affirmation peu convaincante de longue date, les recherches WIMP n'ont pas encore trouvé nada. Pourtant, la recherche continue et tout le monde espère que les WIMP sont à nos portes, car les expériences atteindront bientôt la limite de sensibilité en raison de l'arrière-plan des neutrinos. Dernièrement, les gens ont développé des opinions ambiguës quant à savoir si le champ est déjà mort et certains soutiennent que nous devrions diversifier la recherche de matière noire au lieu de nous concentrer sur les WIMP.

Les espoirs qui s'amenuisent de détecter les WIMP ont également inspiré les collaborations conduisant ces expériences à penser à d'autres recherches physiques intéressantes. Après tout, avoir un détecteur super sensible vous permet non seulement de rechercher des WIMP, mais aussi d'autres particules exotiques et des désintégrations nucléaires rares, plus un peut faire de la physique des neutrinos intéressante. Avoir un vaste programme de physique aide à sécuriser le financement et à conserver votre doctorat. étudiants occupés. Plus tôt cette année, l'expérience de matière noire la plus sensible au monde, XENON1T, a été en mesure de mesurer la décroissance de la double capture d'électrons dans le Xe-124. Avec une demi-vie de ~ 1022 années c'est la décroissance la plus rare jamais mesurée, 12 ordres de grandeur de plus que l'âge de l'univers.

Détection de particules dans le xénon liquide

Principe de détection du détecteur XENON1T.
Crédits: E. Shockley
Le détecteur XENON1T montrant le réseau inférieur de capteurs de lumière et d'anneaux de cuivre qui façonnent le champ électrique.
Crédit: collaboration XENON1T

Le détecteur XENON1T est une chambre dite de projection temporelle biphasée (TPC). Il se compose d'un réservoir cylindrique rempli de xénon de gaz noble refroidi à l'état liquide. Au-dessus du liquide, il y a aussi une phase gazeuse, et un champ électrique est appliqué entre les deux. Chaque fois qu'une particule interagit dans le liquide, elle produit un flash de lumière (S1) qui est détecté par un réseau de capteurs de lumière situés en haut et en bas du réservoir. De plus, les charges produites dans l'interaction des particules sont balayées vers le haut par le champ électrique et produisent un autre flash de lumière (S2) lorsqu'elles pénètrent dans la couche de gaz. À partir de la différence de temps entre les deux signaux S1 et S2, il est possible de reconstruire la position z (hauteur) de l'interaction des particules tandis que la distribution de la lumière vue par les réseaux supérieur et inférieur permet au réseau de déterminer la position xy. De plus, l'énergie déposée par la particule peut être déduite de l'intensité combinée des deux éclairs lumineux tandis que leur rapport S2 / S1 fournit des informations sur le type de particule en interaction. Ce dernier permet de distinguer si une particule interagit avec les électrons d'un atome de xénon, comme c'est le cas pour la radioactivité des désintégrations bêta et des rayons gamma, ou si la particule rebondit sur un noyau de xénon, comme le font les WIMP ou les neutrons.

Un signal inattendu

Alors qu'une recherche WIMP publiée précédemment n'a malheureusement révélé aucun signal, dans leur dernière analyse, la collaboration XENON1T a examiné de plus près les données de recul des électrons qui sont normalement ignorées comme arrière-plan. Comme mentionné, la plupart de ces types d'événements proviennent de la contamination radioactive du xénon et des matériaux environnants. Ce fond a été modélisé par des simulations de Monte-Carlo et la contrainte par des mesures distinctes, par ex. par le criblage précédent des matériaux pour leur radioactivité. Lorsque la collaboration a examiné les données et les a comparées au modèle d'arrière-plan, c'est ce qu'elles ont vu.

Spectre d'énergie observé par XENON1T. La ligne rouge montre un ajustement aux données avec le modèle d'arrière-plan. La section inférieure indique l'écart entre les données et le modèle en unités d'écart type. Crédit: collaboration XENON1T

Les données montrent un excès d'événements entre des énergies de 1 à 7 keV qui culminent autour de 2 keV. En comptant les événements dans cette région d'énergie et en le comparant au nombre d'événements attendus du modèle de fond, on obtient une fluctuation de 3,5 sigma. Cela signifie que la probabilité d'observer que de nombreux événements pour le modèle de fond donné n'est que de 0,02%. Bien qu'il semble qu'il soit sûr d'exclure une fluctuation statistique, il y a eu en fait un certain nombre d'excès en physique des particules avec une signification similaire qui ont disparu plus tard. L'exemple le plus frappant est l'excès de diphotons de 750 GeV au LHC, qui avait une signification allant jusqu'à 3,9 sigma et a conduit à la paternité de plus de 500 articles mais s'est avéré être juste un coup de chance statistique. Pourtant, le résultat XENON1T nécessite une certaine interprétation des données, et la collaboration a étudié trois possibilités.

Quelqu'un a-t-il laissé tomber sa montre?

Selon le rasoir d'Occam, l'explication la plus probable mais aussi la plus ennuyeuse serait une sorte de fond encore inexpliqué. Il s'avère que la désintégration bêta du tritium, la forme instable de l'hydrogène avec deux neutrons supplémentaires, a une forme qui ressemble à l'excès observé. Le tritium est également l'étoffe qui excite le phosphore dans les montres à auto-éclat. Une toute petite fraction d'atomes d'hydrogène, environ 10-18, sont du tritium qui est naturellement produit par les rayons cosmiques dans l'atmosphère. Par conséquent, une concentration d'environ 60 ppb d'hydrogène ou d'eau à l'intérieur du détecteur XENON1T pourrait expliquer l'excès observé, bien que la collaboration pense que la concentration réelle devrait être environ 100 fois inférieure.

Axions du soleil

Les interprétations les plus excitantes du signal sont celles qui impliquent une nouvelle physique et l'une d'entre elles serait la détection des axions solaires. Les axions sont des particules hypothétiques, nommées d'après une marque de détergent à lessive, et ont été postulées pour résoudre un problème de "réglage fin" en physique des particules. Les axions sont probablement aussi le deuxième candidat à la matière noire le plus favorable après les WIMP. Cependant, les axions de matière noire ont de très petites masses et ont besoin d'un type de technologie de détecteur totalement différent à rechercher qui implique des cavités micro-ondes. Mais des axions avec des masses plus élevées détectables par XENON1T peuvent être produits au soleil par différents processus tels que l'effet Primakoff. Une analyse statistique montre que les données favorisent un signal axionique avec une signification de 3,2 sigma par rapport au modèle de fond. Si du tritium est ajouté à l'arrière-plan, le signal axion est toujours favorisé mais avec une signification réduite de 2,1 sigma.

Les neutrinos ne sont pas si standard

La deuxième explication intéressante du signal provient des particules que nous savons déjà exister, à savoir les neutrinos. Tout comme les WIMP, les neutrinos n'interagissent que faiblement et apparaissent donc très rarement dans le détecteur. En fait, ils étaient déjà pris en compte dans le modèle de base mais leur contribution est mineure. Cependant, il existe des théories au-delà du modèle standard actuel de la physique des particules qui proposent une probabilité d'interaction plus élevée pour les neutrinos à faible énergie causée par un moment magnétique plus élevé que d'habitude de ces particules. L'ajustement des données avec ce modèle de neutrino non standard donne une signification statistique similaire à celle du modèle axion. Mais dans ce cas, l'ajout de la composante tritium réduit la signification à seulement 0,9 sigma.

Problèmes de Cooling Stars

Un problème qui devrait nous rendre sceptiques quant aux nouvelles interprétations physiques du signal est le fait qu'elles sont en tension avec les observations astrophysiques. Les propriétés des axions solaires et le moment magnétique des neutrinos sont limités par des études sur la vitesse de refroidissement des étoiles qui perdraient de l'énergie supplémentaire par l'émission de ces particules. Ces contraintes sont en tension avec les propriétés dérivées des données XENON1T. D'un autre côté, les physiciens des particules ont tendance à ne pas prendre trop au sérieux les contraintes astrophysiques en raison des incertitudes liées à leurs modèles. De plus, certaines observations astrophysiques pointent vers une source supplémentaire de refroidissement stellaire compatible avec les axions même si les paramètres sont différents.

Si l'on confirmait que le signal provenait d'une nouvelle physique, l'impact serait énorme. Ce serait la première confirmation de la physique au-delà du modèle standard depuis la découverte des oscillations des neutrinos et donc même éclipser la découverte du boson de Higgs et la détection des ondes gravitationnelles. La bonne chose est que nous ne devrions pas avoir à attendre trop longtemps pour que la situation s'éclaircisse car les expériences XENONnT, LZ et PandaX-4T sont actuellement en course pour construire le prochain détecteur WIMP le plus sensible. Il semble que XENONnT fera le jeu car leur détecteur est déjà en cours de mise en service. Avec environ trois fois plus de xénon et un facteur de fond inférieur d'environ 6, le signal a pu être confirmé après seulement quelques mois de collecte de données. Dans l'intervalle, les théoriciens ont déjà commencé la frénésie de publication pour venir avec de nouveaux modèles de physique qui expliquent l'excès, espérant tous que cette fois le résultat restera.

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