La matière noire demeure un des plus grands mystères de l’Univers depuis près d’un siècle. Tout l’environnement autour de nous ne serait qu’une petite partie d’un ensemble plus vaste, invisible et insaisissable. C’est en tout cas ce que postule cette théorie selon laquelle une matière qui n’interagit pas avec les atomes habituels existe et sculpte la forme des galaxies tout en influençant la gravité.
Si son existence n’a jamais été confirmée, la plupart des modèles cosmologiques reposent sur sa présence à travers le cosmos, au point où elle représenterait environ un quart de la densité énergétique de l’ensemble de l’Univers – ce qui constitue, de fait, une proportion gigantesque. Aussi n’est-il pas surprenant de constater une vraie effervescence de la recherche et un enthousiasme certain, surtout depuis une toute récente expérience qui a peut-être fait un grand pas en avant.
L’expérience LUX-ZEPLIN, qu’est-ce que c’est ?
Menée par une collaboration internationale impliquant notamment les États-Unis et le Royaume-Uni, mais aussi le Portugal et la Corée du Sud, LUX-ZEPLIN, ou LZ pour les intimes, se déroule dans le Dakota du Sud. Il s’agit, pour résumer, d’un réservoir rempli de 7 tonnes de xénon liquide censé pouvoir détecter les interactions entre la matière ordinaire et les WIMPs, ces particules hypothétiques constituant la matière noire.
LZ est présenté comme l’un des détecteurs de matière noire le plus sensible au monde. Il mobilise une collaboration internationale d’environ 250 scientifiques et ingénieurs, répartis dans 39 institutions et pilotés par le Lawrence Berkeley National Laboratory du département de l’Énergie américain.
C’est ce niveau de sensibilité, et la connaissance très fine des bruits de fond du détecteur, qui donne du poids à un événement isolé.
Lorsque les deux types de particules entrent en contact, cela provoque un dégagement d’énergie qui pourrait être détecté, notamment sous la forme d’un photon. Le fait d’avoir une grande cuve permet de maximiser les possibilités d’obtenir un signal. En imaginant que la matière noire se trouve partout autour de nous, plus la surface à « frapper » est grande, plus il y a des chances d’obtenir un résultat positif. En décembre 2025, l’expérience avait publié de nouveaux résultats, toujours négatifs.
Pourquoi ça peut marcher ?
Deux caractéristiques rendent l’expérience LZ particulièrement sensible aux signaux rares.
Tout d’abord, elle est enterrée profondément sous la Terre, à environ 1 500 mètres dans ce qui était une ancienne mine, ce qui lui permet d’être à l’abri des rayons cosmiques qui frappent continuellement la surface de la Terre. Ici, les interactions sont rares, alors le moindre petit flash peut être précieux.
De plus, lorsqu’il est en contact avec une autre particule, le noyau de l’atome de xénon se déplace, ce qui provoque une émission d’énergie dans l’ultraviolet.
Qu’est-ce qui a été découvert ici ?
Les chercheurs présentent un événement suspect détecté en juin 2023 et nommé LZ230616. Une interaction pas comme les autres, durant laquelle le noyau de l’atome de xénon s’est déplacé comme il l’aurait fait en contact avec une particule WIMP selon ce qui est prédit par plusieurs modèles concernant la matière noire, et qui font l’hypothèse d’une certaine masse de ces particules invisibles.
À ce stade, il fallait s’assurer que ce n’était pas une erreur de mesure, ou un problème dû au bruit de fond qui provoque d’autres interactions non désirées. Par exemple, lorsqu’un neutron entre en collision avec un noyau de xénon, une réaction peut avoir lieu, mais si cela avait vraiment été le cas, d’autres événements similaires auraient certainement été provoqués, donc l’hypothèse semble improbable.
Pourquoi il faut rester prudent ?
Tout d’abord, il ne s’agit pas d’une étude scientifique dont les résultats ont été relus par les pairs, mais avant tout d’une annonce lors d’une conférence tenue au Japon, la TeV Particle Astrophysics. Cela ne veut pas dire que les résultats sont faux, mais qu’il peut être préférable de garder une prudence bienvenue en attendant d’autres tentatives d’interprétation des résultats.
De plus, aucune autre interaction similaire n’a été détectée depuis, ce qui aurait été bien utile pour mieux comprendre le phénomène et caractériser la WIMP en question. Ici, les résultats montrent que la particule fantôme aurait une masse d’environ 200 GeV/c² (gigaélectronvolts), ce qui est au-delà de ce que prévoient la plupart des modèles. De plus, l’interaction n’a pas eu exactement les effets attendus au niveau physique.
Les chercheurs eux-mêmes ne parlent pas directement de découverte, mais plutôt d’un indice fort en faveur de l’existence des WIMPs. Le test statistique laisse encore environ 0,5 % de probabilité que cet événement soit une simple fluctuation du bruit de fond, sans lien avec la matière noire.
Pour mesurer ce que vaut cet indice, un repère : en physique des particules, une découverte n’est vraiment reconnue qu’à partir de 5 sigmas, soit une probabilité d’environ une sur 3,5 millions que le signal soit un simple hasard du bruit de fond. Le test statistique de LZ situe l’événement LZ230616 à seulement 2,6 sigmas. C’est assez pour parler d’un indice intrigant, très loin d’une preuve.
Et maintenant on fait quoi ?
L’expérience LZ va se poursuivre dans l’espoir de trouver d’autres collisions similaires. Dans le même temps, les chercheurs qui ont diffusé leurs données vont pouvoir bénéficier d’autres expertises plus à même, peut-être, d’expliquer ce qui s’est passé avec LZ230616.
Enfin, d’autres expériences similaires existent comme EDELWEISS, qui repose sur le même principe avec un laboratoire souterrain en Savoie. Ou encore, dans un autre genre, JUNO, en Chine, qui s’intéresse aux neutrinos, d’autres particules difficiles à comprendre et à étudier, et à leur rôle supposé dans la constitution de la matière noire. L’expérience doit encore tourner plusieurs années. LZ vise 1 000 jours de prise de données avant son arrêt prévu en 2028, de quoi confirmer ou écarter ce signal.
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