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Même sans matière noire, Xenon1T est un succès

Xenon1T est le plus gros détecteur de matière noire au monde. Inauguré en 2015, il scrute cette matière invisible — cinq fois plus présente dans l’univers que la matière classique — depuis le laboratoire national du Gran Sasso en Italie, situé sous la montagne. En mai 2017, la collaboration internationale de 130 scientifiques publiait les premières observations effectuées par l’instrument. Dominique Thers, coordinateur de l’expérience en France et chercheur à Subatech*, nous explique l’importance de ces premiers résultats de Xenon1T. Il nous dévoile les dessous d’une recherche de pointe capitale dans la compréhension de l’univers.

Tout comprendre sur Xenon1T en lisant notre article dédié à l’expérience.

Que s’est-il passé pour la collaboration Xenon1T entre l’inauguration datant d’il y a un an et demi et les premiers résultats parus le mois dernier ?

Dominique Thers : Pendant une bonne année, nous avons organisé la validation des instruments utilisés de manière à certifier leur fonctionnement. Toute la collaboration s’est mobilisée entre l’automne 2015 et l’automne 2016 sur cette étape de qualification et de calibrage. C’est une phase qui peut être longue, et il est difficile de prévoir à l’avance le temps qu’elle prendra. Nous avons été très satisfait de la terminer en un an : c’est un temps court pour une expérience comme celle de la taille de Xenon1T.

 

Il a donc fallu attendre un an pour lancer la première expérience réelle ?

DT : En effet, les premières observations ont été lancées au début du mois de décembre 2016. Nous avons laissé la tonne de xénon être exposée à d’éventuelles particules de matière noire pendant 34,2 jours exactement. En pratique, le temps réel est plus long, puisqu’il faut procéder à des recalibrages réguliers durant lesquels nous n’enregistrons pas de données. Cette exposition s’est arrêtée le 18 janvier, date à laquelle trois secousses sismiques de forte magnitude ont été enregistrées à proximité du Gran Sasso. Les turbulences mécaniques ont nécessité une période de remise au point des instruments d’une semaine, et nous avons décidé à ce moment de procéder à ce que nous appelons « l’unblinding ».

 

C’est à dire que vous découvrez ce que vous enregistrez avec l’expérience a posteriori, et non en temps réel ?

DT : Oui c’est dans la logique de notre communauté. Nous faisons une analyse de données indépendante de l’acquisition. Cela permet de limiter au maximum les biais d’analyse qui pourraient survenir lorsque nous arrêtons une période d’observation pour vérifier s’il y a eu oui ou non interaction entre le xénon et la matière noire. Lorsque nous arrivons à une période de temps qui nous satisfait et qui est significative, nous stoppons l’expérience et nous regardons les données. La partie analyse est préparée en amont et tout le monde est prêt à ce moment en général. Le séisme est survenu à peu de choses près à la date de fin que nous nous étions fixée, nous avons donc préféré arrêter les mesures à ce moment.

 

Les résultats n’ont pas révélé d’interactions entre le xénon et des particules de matière noire, ce qui aurait constitué une première observation directe de matière noire. Est-ce pour autant un échec de la collaboration ?

DT : Pas du tout ! Il faut bien comprendre qu’il y a une course effrénée autour du monde pour augmenter le volume de matière ordinaire exposée à la matière noire. Avec une tonne de xénon, Xenon1T est la plus grosse expérience au monde, et donc potentiellement la plus susceptible d’observer la matière noire. Il était hors de question de poursuivre sur une longue durée sans avoir d’abord validé que l’expérience atteignait bien une sensibilité jamais égalée. Avec cette première publication, nous avons montré que Xenon1T est au rendez-vous. Or la sensibilité maximale de Xenon1T sera atteinte sur des sessions des 18 à 24 mois. C’est donc très prometteur.

 

Comment fonctionne cette sensibilité ? Celle de Xenon1T est-elle vraiment supérieure à celle des expériences concurrentes ?

DT : Une approche très naïve mais symbolique est de dire que plus le détecteur est exposé à la matière noire, plus il a de chance d’enregistrer une interaction entre celle-ci et la matière ordinaire. Nous avons donc une loi proportionnelle au temps. Il est donc facilement compréhensible qu’après ce record du monde obtenu en à peine un mois, nous soyons optimistes sur les capacités de Xenon1T sur 18 à 24 mois. Mais nous ne pourrons pas aller au-delà, car nous serions alors confrontés à un bruit de fond trop élevé qui cachera d’éventuelles observations de la matière noire avec Xenon1T.

 

L'expérience Xenon1T dans le laboratoire du Gran Sasso, en Italie. À gauche, le réservoir de xénon enfermé dans un caisson protecteur. À droite, les locaux box abritent les instruments d'analyse et de contrôle de l'expérience.
L’expérience Xenon1T dans le laboratoire du Gran Sasso, en Italie. À gauche, le réservoir de xénon enfermé dans un caisson protecteur. À droite, les pièces abritent les instruments d’analyse et de contrôle de l’expérience.

 

Il était donc plus important pour la collaboration Xenon1T de valider la supériorité de son expérience que d’exposer directement pendant une période de 18 à 24 mois potentiellement plus concluante ?

DT : Cela nous a permis de valider la qualité de Xenon1T, à la fois auprès de la communauté scientifique mais aussi des gouvernements qui nous soutiennent et qui ont besoin de justifications sur les investissements qu’ils réalisent. C’est une façon de répondre des efforts financiers et humains réalisés par nos partenaires, nos collaborateurs et nous-mêmes. Et puis nous ne maîtrisons pas forcément à notre échelle les temps d’observations. Cela dépend aussi des résultats des expériences concurrentes. La logique n’est pas de fermer les yeux pendant 18 mois sans se soucier de ce qu’il se passe ailleurs. Si une autre expérience assure qu’elle a des traces de matière noire dans un domaine d’énergie où nous avons la visibilité avec Xenon1T, nous pourrons stopper nos acquisitions pour confirmer ou infirmer les résultats. Cette première observation permet de nous positionner comme les mieux placés pour arbitrer d’éventuels désaccords scientifiques.

 

Le rapport que vous entretenez avec les autres expériences semble assez particulier : vous êtes tous concurrents, mais vous avez aussi besoin les uns des autres.

DT : Il est très important d’avoir sur Terre plusieurs sites qui peuvent rapporter une observation directe de matière noire. Bien sûr, nous espérons que Xenon1T sera le premier. Mais même si c’est le cas, nous aurons besoin des autres sites pour montrer que la matière noire observée en Italie est la même que celle observée ailleurs. Pour autant, cela ne nous empêche pas tous de travailler dans notre coin pour améliorer les sensibilités de nos expériences afin de garder ou de récupérer le leadership sur ces recherches.

 

Xenon1T pense déjà au futur alors ?

DT : Nous sommes déjà en train de préparer l’expérience qui suit, ce que sera Xenon1T en 2019 ou 2020. L’idée est de gagner un ordre de grandeur dans la masse de matière ordinaire exposée aux éventuelles particules de matière noire avec XENONnT. Nous pensons donc mettre au point un instrument qui comportera dix tonnes de xénon. Et sur ce point nous sommes en concurrence avec l’expérience américaine LZ et la collaboration chinoise PandaX. Eux-aussi ambitionnent de travailler d’ici quelques années avec plusieurs tonnes de xénon. D’ici là, peut-être aurons-nous déjà observé la matière noire…

 

* Subatech est une unité mixte de recherche entre IMT Atlantique, le CNRS et l’université de Nantes.

 

XENON1T : chasseur de matière noire grand format

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