Matière noire : un événement inattendu relance la piste du higgsino

À l’échelle de l’Univers, la matière noire représenterait environ 85 % de toute la matière. Elle est surnommée ainsi car elle n’émet, n’absorbe et ne réfléchit pas la lumière de manière détectable. Sa présence est pourtant révélée à grande échelle grâce à ses effets gravitationnels. Les galaxies se déplacent en effet comme si elles contenaient beaucoup plus de matière que celle que nous pouvons voir avec les télescopes. Malgré plusieurs décennies de recherches, les physiciens ignorent toujours quelle particule, ou quel ensemble de particules, constitue cette matière noire. Mais un événement récemment observé pourrait ouvrir la voie à une nouvelle piste.

Cette observation s’est produite dans une ancienne mine d’or du Dakota du Sud, à environ 1,5 kilomètre sous terre, où se trouve le laboratoire SURF (Sanford Underground Research Facility). Un lieu où des chercheurs tentent de détecter directement une interaction entre une particule de matière noire et de la matière ordinaire. Pour cela, ils utilisent un détecteur, le LUX-ZEPLIN, ou LZ, qui contient sept tonnes de xénon liquide actif. À cette profondeur, l’appareil est fortement protégé contre les rayons cosmiques susceptibles de produire de faux signaux.

Le principe de cette expérience consiste à attendre qu’une éventuelle particule de matière noire percute un noyau de xénon. Une telle collision doit provoquer un minuscule recul du noyau, accompagné de signaux lumineux et électriques. Des centaines de photomultiplicateurs permettent alors de mesurer ces signaux avec une très grande précision. Les chercheurs recherchent notamment des WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), une famille de particules qui, depuis plusieurs décennies, constitue l’une des pistes étudiées pour expliquer la matière noire, sans avoir toutefois été observée à ce jour.

Or, un événement inhabituel a retenu l’attention des physiciens. Dans une de leurs analyses, ils ont observé un événement correspondant à un recul nucléaire dont l’énergie pourrait être compatible avec certains scénarios de la matière noire fondés sur le higgsino. Le nom peut prêter à confusion. Le higgsino n’est pas une autre forme du boson de Higgs et ne désigne pas une propriété particulière de celui-ci. Il s’agit d’une particule hypothétique prédite par les théories de supersymétrie, qui cherchent à étendre le Modèle standard de la physique des particules.

Le Higgs et le higgsino, deux particules à ne pas confondre

Le boson de Higgs est bien réel, car il a été découvert en 2012 au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire). Il appartient à une famille de particules appelées les bosons, qui jouent notamment un rôle dans la transmission de certaines interactions fondamentales de la physique. Le boson de Higgs constitue une excitation du champ de Higgs, un champ fondamental présent dans l’Univers. Les interactions de certaines particules avec ce champ contribuent à leur conférer une masse.

Quant au higgsino, il n’a jamais été détecté de manière expérimentale. À ce stade de la connaissance, il appartiendrait à une autre grande famille de particules, celle des fermions, qui comprend notamment les électrons et les quarks constituant la matière ordinaire. Les bosons et les fermions se distinguent donc par les règles de la physique quantique qui régissent leur comportement. Dans les modèles supersymétriques, le higgsino serait le partenaire fermionique associé au secteur de Higgs. Le lien entre les deux est théorique puisque le boson de Higgs appartient au Modèle standard, tandis que le higgsino apparaît lorsqu’on ajoute la supersymétrie à cette théorie.

Attention, cela ne signifie cependant pas que l’expérience LZ a permis de détecter un higgsino. Ce premier résultat n’a pas atteint le seuil de signification statistique. D’autres explications théoriques sont actuellement étudiées et, surtout, un seul événement ne permet pas d’établir l’existence de cette nouvelle particule. Les travaux de recherche menés au laboratoire SURF doivent se poursuivre pour permettre d’accumuler davantage d’événements et de tester différentes hypothèses.

Pour l’instant, le mystère demeure donc entier. Si de nouveaux événements présentant les mêmes caractéristiques apparaissent, le higgsino pourrait passer du statut de particule hypothétique à celui de candidat crédible pour expliquer la matière noire. Celle-ci pourrait alors enfin commencer à révéler sa véritable nature.