Depuis les années 1960, les scientifiques ont émis l'hypothèse que l'Univers est rempli d'une masse mystérieuse et invisible. Connue sous le nom de «matière noire», cette masse représenterait environ 85% de la matière dans l'Univers et un quart de sa densité d'énergie. Bien que cette masse ait été indirectement observée et étudiée, toutes les tentatives pour déterminer sa véritable nature ont jusqu'à présent échoué.
Pour résoudre ce problème, de nombreuses expériences sont en cours qui reposent sur des instruments extrêmement sophistiqués. L'un d'eux, appelé XENON, a récemment observé un processus qui avait précédemment évité de multiples tentatives de détection. Ces résultats pourraient aider les scientifiques à améliorer leur compréhension des neutrinos, qui, selon certains scientifiques, constituent la matière noire.
Les résultats (XENON1T) sont apparus dans le cadre d'une étude récemment publiée dans la revue La nature. XENON est un projet expérimental conjoint d'environ 160 scientifiques d'Europe, des États-Unis et du Moyen-Orient. Il est actuellement dirigé par le professeur Elena Aprile de l'Université de Columbia et exploité par le Laboratoire national du Gran Sasso (LNGS) en Italie.
Comme d'autres expériences sur la matière noire, il vise à détecter les particules de matière noire candidates connues sous le nom de particules massives à faible interaction (WIMPS). À cet effet, l'installation est située profondément sous terre afin d'éviter les interférences avec d'autres sources de neutrinos (dont les neutrinos solaires créés régulièrement par notre Soleil et les neutrinos cosmiques).
Dans le cas de l'expérience XENON, cela implique d'observer une chambre remplie de Xenon-124 liquide pour détecter des signes d'interactions avec les particules. Ces signes fourniraient la toute première preuve expérimentale directe de particules candidates de matière noire. Et bien que leur premier ensemble de résultats n'ait pas confirmé l'existence de la matière noire, il a observé pour la première fois la désintégration des noyaux atomiques du Xénon-124.
Pour un certain nombre de raisons, ce fut une immense réalisation. En plus d'être une première historique, la demi-vie mesurée pour le Xénon-124 est environ un billion de fois plus longue que l'âge de l'Univers lui-même (13,8 milliards d'années). Cela fait de la désintégration radioactive qu'ils ont observée - la soi-disant double capture d'électrons du Xénon-124 - le processus le plus rare jamais observé dans un détecteur.
Comme l'a expliqué le professeur Christian Weinheimer - un de l'Université de Münster, dont le groupe a dirigé l'étude - dans un communiqué de presse XENON:
«Le fait que nous ayons réussi à observer ce processus démontre directement à quel point notre méthode de détection est puissante, même pour les signaux qui ne proviennent pas de la matière noire.»
Pour briser ce processus, un atome de Xénon-124 est composé de 54 protons et 70 neutrons qui sont entourés de coquilles atomiques avec 54 électrons. Dans le processus connu sous le nom de double capture d'électrons, deux protons dans le noyau "capturent" simultanément deux électrons de la coque la plus intérieure, les transforment en deux neutrons et crachent deux neutrinos.
Les autres électrons se réorganisent ensuite pour combler le vide créé dans l'enveloppe la plus intérieure tandis que l'énergie est libérée sous forme de rayons X et ce qu'on appelle les «électrons Auger». Cependant, ces signaux sont très difficiles à détecter car le processus est très rare et est caché par la radioactivité naturelle. Néanmoins, la collaboration XENON a réussi à le faire grâce à un an d’observations avec leurs instruments.
Les rayons X émis à la suite de la double capture d'électrons ont produit un signal lumineux dans le xénon liquide ainsi que des électrons libres. Ces électrons se sont ensuite déplacés vers la partie supérieure remplie de gaz du détecteur où ils ont produit un deuxième signal lumineux, et la différence de temps entre les deux correspondait au temps qu'il faut aux électrons pour atteindre le sommet du détecteur.
L'équipe scientifique a utilisé cet intervalle et les capteurs de la chambre pour reconstruire la position de la double capture d'électrons tandis que la force du signal a été utilisée pour mesurer la quantité d'énergie libérée. Cela a fourni aux scientifiques les moyens de déterminer la demi-vie incroyablement longue du xénon, qu'ils ont calculée à 1,8 × 10²² ans.
Ces résultats démontrent efficacement la capacité des détecteurs XENON à détecter des processus rares tout en rejetant les signaux de fond. Les nouveaux résultats pourraient également permettre de poursuivre les recherches sur les neutrinos, qui sont les plus légers de toutes les particules élémentaires et ne sont pas encore entièrement compris. Il s'agit notamment de la masse du neutrino, qui n'est pas encore bien contrainte.
En tant que chrétien
«Cela prouve que cette technologie de détecteur XENON que nous utilisons pour la matière noire est beaucoup plus polyvalente. Nous obtenons toutes ces analyses intéressantes… gratuitement après avoir construit une expérience suffisamment sensible pour chasser la matière noire. »
Le cycle d'observation XENON1T a collecté des données entre 2016 et décembre 2018, date à laquelle il a été interrompu pour effectuer des mises à niveau. Une fois celles-ci terminées, l'équipe scientifique commencera à mener la prochaine phase d'observations. Connue sous le nom de «XENONnT», cette phase comportera une masse de détecteur actif trois fois plus grande que la première expérience.
Avec des améliorations conçues pour réduire les interférences de fond, le détecteur aura un niveau de sensibilité supérieur de plusieurs ordres de grandeur. À ce stade, nous pouvons nous attendre à ce que l'expérience fasse briller une lumière encore plus brillante sur les zones sombres de l'Univers.
