Des détecteurs souterrains aux secrets cosmiques : explorer les interactions matière noire-nucléon

Dans une nouvelle étude, les scientifiques rapportent les résultats de l’expérience PandaX-4T, fixant des limites strictes aux interactions matière noire-nucléon en utilisant des données à faible énergie et l’effet Migdal, excluant ainsi un espace de paramètres significatif pour un modèle de matière noire de relique thermique.

La matière noire est l’un des grands mystères de la science, échappant à la détection directe et défiant les modèles traditionnels. C’est tellement entouré de mystère que nous ne savons même pas ce que sont les particules de matière noire ni quelle est leur masse.

En effet, les particules de matière noire n’interagissent pas avec la lumière, ce qui les rend impossibles à détecter. Les principaux candidats pour les particules de matière noire sont les axions et les particules massives à faible interaction (WIMP).

Dans les profondeurs du laboratoire souterrain de China Jinping, l’expérience PandaX-4T constitue un phare dans la quête pour percer les mystères de la matière noire. Le programme expérimental utilise des « détecteurs de xénon » pour explorer la matière noire, étudier les neutrinos et étudier de nouvelles physiques, telles que la double désintégration bêta sans neutrinos.

Aujourd’hui, les scientifiques ont signalé des progrès dans la recherche d’interactions matière noire-nucléon à l’aide du PandaX-4T. Les résultats sont publiés dans Lettres d’examen physique.

L’expérience PandaX-4T et l’effet Migdal

Au cœur de l’expérience PandaX-4T se trouve une chambre de projection temporelle au xénon (TPC) biphasée de pointe abritant 3,7 tonnes de xénon liquide dans un volume sensible. Cette chambre sophistiquée sert d’arène principale pour les interactions entre particules.

Le co-auteur, le Dr Ran Huo de l’Institut de technologie avancée du Shandong, a expliqué : « Pour la matière noire claire, l’énergie maximale que la matière noire peut transférer aux noyaux de xénon est proportionnelle à la masse de matière noire au carré. »

“Lorsque la masse de la matière noire est inférieure à plusieurs GeV, l’énergie de recul due à la collision de la matière noire avec les noyaux de xénon n’a presque aucune chance de dépasser le seuil d’énergie du détecteur.”

L’expérience PandaX-4T exploite l’effet Migdal pour surmonter ce défi en améliorant la sensibilité de l’expérience, en particulier aux particules de matière noire de faible masse inférieure à 3 GeV, dans le but de sonder les interactions matière noire-nucléon.

L’effet Migdal implique l’ionisation ou l’excitation potentielle des électrons dans les atomes, constituant le matériau (dans ce cas, le xénon) à travers lequel passe la matière noire. Les nucléons (protons et neutrons) présents dans les noyaux atomiques interagissent avec les particules de matière noire.

Ces interactions peuvent conduire à l’excitation ou à l’ionisation des électrons des atomes environnants. En conséquence, ces électrons peuvent acquérir des énergies supérieures au keV. Lorsque ces électrons excités traversent le xénon liquide, ils génèrent des signaux détectables indiquant le recul des électrons dans le détecteur.

“En termes simples, l’effet Migdal nous aide à étendre notre portée aux masses de matière noire inférieures à 3 GeV pour sonder les interactions matière noire-nucléon”, a déclaré le Dr Yong Yang, co-auteur de l’étude de l’Université Jiao Tong de Shanghai.

Un modèle thermique de matière noire

Dans un modèle thermique de matière noire, on suppose que les particules de matière noire étaient en équilibre thermique avec la soupe primordiale de particules de l’univers primitif. Au fur et à mesure de l’expansion et du refroidissement de l’univers, ces particules se sont découplées du bain thermal tout en préservant une certaine abondance.

Ce processus s’apparente à un gel, où les particules de matière noire gèlent jusqu’à atteindre leur abondance observée.

Le modèle thermique de matière noire est particulièrement attrayant car il fournit un mécanisme naturel pour expliquer l’abondance relique de matière noire observée dans l’univers. L’« annihilation » ou la désintégration de ces particules dans l’univers primitif aurait produit la densité correcte de matière noire que nous observons aujourd’hui.

Ce modèle implique souvent la prise en compte de types spécifiques de particules, tels que les particules massives à faible interaction (WIMP) ou d’autres candidats ayant des propriétés similaires.

“Notre expérience a été principalement conçue pour la matière noire de type WIMP, auquel cas le “médiateur de force” (particule responsable de la transmission de la force entre la matière noire et la matière ordinaire) est supposé être très lourd, donc l’interaction est extrêmement courte. à distance », a noté le Dr Yang.

La flexibilité du modèle PandaX-4T aide à reproduire la quantité observée de matière noire grâce à l’annihilation des particules de matière noire en particules de modèle standard au début de l’univers, présentant un espace de paramètres diversifié.

L’approche ciblée de PandaX-4T a utilisé des données optimisées à faible énergie pour définir des contraintes strictes sur la force d’interaction matière noire-nucléon pour les masses sombres allant de 0,03 à 2 GeV.

“La nouvelle analyse teste directement une sorte de modèle thermique de matière noire – des paires de matière noire s’annihilant en matière ordinaire via le photon noir dans l’univers primitif – et élimine un espace de paramètres substantiel qui était auparavant considéré comme plausible”, a expliqué le Dr Huo.

Essentiellement, l’étude affine notre compréhension en limitant les scénarios potentiels d’interactions avec la matière noire via le photon noir, qui est le médiateur.

S’appuyer sur les découvertes

Le succès de l’expérience dans l’examen des particules de matière noire dans la gamme de 0,03 à 2 GeV offre des informations précieuses, affinant notre compréhension d’un modèle thermique de matière noire.

Les chercheurs mettent en évidence deux pistes possibles pour de futures études avec le PandaX-4T.

“Nous visons à améliorer l’exposition, grâce à des données accrues ou à une cible xénon plus grande, pour approfondir les sections efficaces d’interaction matière noire-nucléon plus faibles.”

“Cette exposition élargie a le potentiel d’élucider les subtilités de l’arrière-plan dans le domaine des basses énergies, principalement influencé par les électrodes cathodiques et le bruit de micro-décharge”, a déclaré le Dr Huo.

“D’un autre côté, notre étude n’a aucune sensibilité à cette interaction pour la matière noire inférieure à 30 MeV, en dessous de laquelle l’effet Migdal ne peut plus nous aider. Cela signifie que nous avons besoin de nouvelles méthodes de détection”, a reconnu le Dr Yang.

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