L’expérience XENONnT, ici au moment de son assemblage en Italie, donne pleine satisfaction après 97 jours de prise de données. Image : Collaboration XENON

Premiers résultats d'une recherche de nouvelle physique dans les reculs électroniques de XENONnT

Astroparticules et cosmologie Résultats scientifiques

XENONnT, le dernier détecteur du programme XENON cherchant la matière noire, présente un bruit de fond plus faible que jamais, ce qui facilite la recherche de phénomènes nouveaux et très rares avec une sensibilité sans précédent. Ses premiers résultats éclaircissent un mystérieux excès observé dans l’expérience précédente, XENON1T, et établissent des limites fortes sur les scénarios de nouvelle physique.

L'expérience XENONnT a été conçue pour rechercher les insaisissables particules de matière noire. Le détecteur contient près de 6000 kg de xénon liquide ultrapur comme cible pour les interactions entre particules ; il est installé à l'intérieur d'un veto à muons et neutrons actif de type Cherenkov à eau, profondément enfoui dans le Laboratoire National du Gran Sasso de l'INFN en Italie. Malgré une situation pandémique difficile, XENONnT a été construit puis mis en service entre le printemps 2020 et le printemps 2021. XENONnT a pris les premières données scientifiques sur 97 jours, du 6 juillet au 10 novembre 2021.

Les expériences de cette nature nécessitent les niveaux les plus bas possibles de radioactivité naturelle, qu'elle provienne de sources intrinsèquement présentes dans la cible de xénon liquide ou de matériaux de construction et de l'environnement. La première source, dominée par le radon, est la plus difficile à réduire et son élimination représente le Saint Graal des recherches actuelles au niveau de sensibilité de XENONnT. Cependant, la collaboration XENON a permis de réduire le radon à un niveau plus bas que jamais, grâce à une sélection poussée des matériaux et au fonctionnement réussi d'une colonne de distillation cryogénique, en ligne, qui élimine activement le radon du xénon.

Photo de l'expérience XENONnT
L’expérience XENONnT, ici au moment de son assemblage en Italie. Au premier plan, le support des photomultiplicateurs qui sera fixé à la base de la cuve de xenon liquide (en arrière-plan). Image : Collaboration XENON.

Il y a deux ans, la collaboration XENON a annoncé l'observation d'un excès d'événements de recul électronique dans l'expérience XENON1T. Ce résultat a suscité beaucoup d'intérêt et de nombreuses publications, car il pouvait être interprété comme le signal d'une nouvelle physique au-delà des phénomènes connus. Les interactions détectées avec les électrons du XENON pouvaient être interprétées selon plusieurs scénarios de nouvelle physique : des particules de type axion, des neutrinos ayant un moment magnétique anormal ou encore des particules du secteur sombre. Aujourd'hui, la collaboration XENON a publié les premiers résultats de sa nouvelle expérience encore plus sensible, XENONnT, avec du bruit de fond du recul électronique réduit d’un facteur 5 par rapport à son prédécesseur, XENON1T. L'absence d'excès dans les nouvelles données indique que l'origine du signal de XENON1T était des traces de tritium dans le xénon liquide, l'une des hypothèses envisagées à l'époque. En conséquence, cela conduit maintenant à des limites très fortes sur les scénarios de nouvelle physique initialement invoqués pour expliquer un excès.

Avec ce nouveau résultat, obtenu par une analyse en aveugle, XENONnT débute sa campagne de prise de données avec une exposition initiale légèrement supérieure à 1 tonne par an. Les données existantes sont en cours d'analyse pour rechercher des particules massives à faible interaction (WIMP), l'un des candidats les plus prometteurs de la matière noire dans l'Univers. Dans le même temps, XENONnT recueille d'autres données, visant une sensibilité encore plus grande dans le cadre de son programme scientifique pour les prochaines années.

A propos de la collaboration XENON

La collaboration XENON comprend 163 scientifiques de 28 institutions situées dans 11 pays. Deux équipes de l'IN2P3 y contribuent :

  • Équipe du Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées (SUBATECH, CNRS/IN2P3 - Université de Nantes - IMT Atlantique) coordonnée par Dominique Thers,
  • Équipe du Laboratoire de physique des hautes énergies (LPNHE, CNRS/IN2P3 - Sorbonne Université) coordonnée par Luca Scotto-Lavina,

Les équipes IN2P3 ont réalisé des stations-services de Xénon liquide ReStoX, des électrodes de l’expérience et déployé des ressources informatiques du CC-in2p3. Une dizaine de ses chercheurs participent activement aux prises de données, à leur analyse et à la vie de la collaboration.

Des moyens matériels ont pu être apportés par les équipes françaises grâce aux contributions du CNRS, des régions Pays de la Loire et Ile-de-France.

Site internet de la collaboration XENON : http://www.xenonexperiment.org.

Contact

Vincent Poireau
DAS Astroparticules et cosmologie
Emmanuel Jullien
Responsable du service communication de l'IN2P3