À Lead, dans le Dakota du Sud, il y a une ancienne mine d’or dont les galeries s’enfoncent à presque quinze cents mètres sous la surface. Ce n’est pas l’endroit qu’on imaginerait spontanément pour mener l’une des expériences scientifiques les plus ambitieuses du monde. Et pourtant, c’est là que plusieurs centaines de physiciens ont installé le LUX-ZEPLIN — un détecteur de matière noire de dix tonnes, blindé derrière des couches d’eau purifiée et de roche, conçu pour capter quelque chose que personne n’a encore jamais directement observé.
La matière noire représente environ 27% de l’univers. Ce n’est pas une hypothèse fragile : c’est une conclusion à laquelle les astrophysiciens sont arrivés par des voies indépendantes et convergentes. Les galaxies tournent trop vite pour que la masse visible qu’elles contiennent suffise à expliquer leur cohésion. Les grandes structures de l’univers se forment d’une façon que seule la présence d’une matière non lumineuse permet de modéliser correctement. La matière noire est là, omniprésente, structurante. Elle tient littéralement les galaxies ensemble. Et pourtant, aucun instrument n’a encore réussi à la détecter directement.
Le LZ cible une catégorie théorique de particules appelées WIMPs — des particules massives à interaction faible, qui n’interagissent avec la matière ordinaire qu’à travers la gravité et la force nucléaire faible. Ce sont des interactions si rares et si ténues que pour les détecter, il faut éliminer à peu près tout autre signal susceptible de produire quelque chose de similaire. D’où la profondeur. À presque quinze cents mètres sous terre, les rayons cosmiques qui bombardent constamment la surface de la Terre ne parviennent plus. La roche filtre. Le bruit de fond s’effondre. Et dans ce silence presque parfait, le détecteur peut écouter.
Le cœur du LZ est une cuve cylindrique en titane remplie de dix tonnes de xénon liquide maintenu à une température de moins 95 degrés Celsius. Si une particule de matière noire traverse la cuve et percute un noyau de xénon, l’événement devrait produire deux signaux distincts : un flash de lumière visible et une impulsion électrique. Des centaines de photomultiplicateurs tapissent l’intérieur de la cuve, capables de détecter jusqu’à un photon individuel. La cuve elle-même est immergée dans un grand réservoir d’eau ultra-pure qui absorbe le rayonnement résiduel émis par la roche environnante. Chaque couche de protection a une fonction précise. L’ensemble ressemble à un boîtier de précision construit autour d’un silence.
Les premiers résultats publiés par la collaboration LZ — qui regroupe plus de 250 chercheurs issus de 37 institutions à travers le monde — n’ont pas encore produit de détection directe. Mais ils ont établi de nouveaux records mondiaux de sensibilité, resserrant considérablement l’espace des propriétés possibles des WIMPs. En langage de physique expérimentale, c’est une forme de progrès réelle : chaque contrainte supplémentaire sur la masse et l’interaction des particules candidates réduit le territoire théorique à explorer. Et en cherchant des WIMPs, le LZ a aussi capté des données nouvelles sur les neutrinos solaires — un bénéfice annexe inattendu d’une expérience conçue pour autre chose.
Il serait prématuré de dire que la matière noire est sur le point d’être identifiée. L’histoire de la physique des particules est riche en promesses de découverte qui ont pris plus longtemps que prévu à se concrétiser, ou qui ont révélé des réalités différentes de celles anticipées. Mais il y a quelque chose de remarquable dans la patience et la précision de ce que cette collaboration a construit, à presque quinze cents mètres sous une montagne du Dakota du Sud, pour tenter d’apercevoir ce que l’univers a gardé invisible depuis le début.
