À 1 480 mètres sous la ville de Lead, dans le Dakota du Sud, deux cuves de titane emboîtées contiennent dix tonnes de xénon liquide, plongées dans le noir depuis que le détecteur LUX-ZEPLIN (LZ) a officiellement terminé sa construction le 21 septembre 2020. L’expérience utilise 10 tonnes métriques de xénon liquide pour traquer des signaux d’interaction avec des particules de matière noire théorisées, les WIMPs. Le lieu n’est pas un laboratoire flambant neuf construit pour l’occasion : c’est une ancienne mine d’or, transformée en cathédrale de la physique des particules.

Sommaire

1. Pourquoi descendre si loin sous terre
2. Une mine d’or centenaire recyclée en laboratoire
3. Chercher le rien, méthodiquement

Pourquoi descendre si loin sous terre

Un détecteur de matière noire ne cherche pas un signal fort. Il cherche l’infiniment discret : un choc hypothétique entre une particule invisible et le noyau d’un atome de xénon, comparable, selon l’un des physiciens du projet, à creuser presque cinq fois plus profond que quiconque dans le passé pour trouver un trésor enfoui, « quelque chose qu’on ne fait pas avec un million de pelles, mais en inventant un nouvel outil ». Le problème, c’est qu’à la surface, des milliards de rayons cosmiques bombardent chaque centimètre carré de la planète en permanence. Ces particules produisent, en heurtant l’atmosphère et les roches, un vacarme de fond qui noierait instantanément le signal ténu recherché.

La solution est presque brutale de simplicité : empiler de la roche au-dessus du détecteur. LZ est installé à près d’un mile sous terre à la Sanford Underground Research Facility, et sa profondeur fournit un blindage naturel contre la pluie constante de rayons cosmiques à la surface. Concrètement, à ce niveau appelé « 4850 feet » par les mineurs (4 850 pieds, soit environ 1 478 mètres), les physiciens ont mesuré directement le flux résiduel de muons, ces particules cosmiques les plus pénétrantes. Le flux total mesuré est de (5,31 ± 0,17) × 10⁻⁹ muon par seconde et par centimètre carré, contre environ un muon par seconde et par centimètre carré à la surface. à cette profondeur, l’endroit est un million de fois plus calme qu’en surface.

Pour comparer des sites situés dans des roches différentes, les physiciens convertissent la profondeur réelle en « mètres équivalents eau » (m.w.e.), une unité qui neutralise les écarts de densité entre les roches. À Homestake, le niveau 4850 correspond ainsi à environ 4,4 kilomètres équivalents eau. Il faudrait donc immerger l’expérience sous 4 400 mètres d’eau douce pour obtenir la même protection contre le rayonnement cosmique qu’offre naturellement cette épaisseur de roche noire du Dakota du Sud.

Une mine d’or centenaire recyclée en laboratoire

Avant d’accueillir des détecteurs de matière noire, ce trou dans la Terre a servi à autre chose : extraire du métal précieux. Jusqu’à sa fermeture en 2001, Homestake était la plus grande et la plus profonde mine d’or d’Amérique du Nord, employant des milliers de personnes et produisant environ 41 millions d’onces d’or et 9 millions d’onces d’argent en 125 ans d’exploitation. La mine a fermé pour des raisons purement économiques : l’or n’était plus assez rentable à extraire à cette profondeur.

C’est justement cette profondeur qui a sauvé le site de l’oubli. L’histoire scientifique du lieu a commencé avec l’expérience solaire sur les neutrinos de Raymond Davis Jr., construite au milieu des années 1960 au fond de la mine d’or de Homestake, où un réservoir de 100 000 gallons rempli de perchloroéthylène servait à capter les neutrinos venus du Soleil. Cette expérience a valu à Davis le prix Nobel de physique. Après la fermeture de la mine, la propriété a été donnée à l’État du Dakota du Sud, avant de devenir officiellement la Sanford Underground Research Facility (SURF), grâce notamment à un don de 70 millions de dollars du philanthrope T. Denny Sanford. LZ occupe aujourd’hui la caverne Davis, à l’endroit même où opérait autrefois l’expérience de Davis, puis l’expérience LUX qui l’a précédée.

Chercher le rien, méthodiquement

LZ a livré ses premières données scientifiques dès 2021. Dès sa première campagne de mesure en 2021, LZ a obtenu la sensibilité la plus élevée au monde dans la recherche de WIMPs galactiques, à partir de seulement 6 % de l’exposition totale prévue. Un résultat qui n’a rien trouvé, mais qui a immédiatement placé l’expérience en tête de la compétition mondiale.

La campagne suivante, présentée en août 2024, a marqué une étape supplémentaire. Les nouveaux résultats du détecteur de matière noire le plus sensible au monde ont posé les meilleures limites jamais obtenues sur les WIMPs, en analysant 280 jours de données : un nouvel ensemble de 220 jours collectés entre mars 2023 et avril 2024, combiné à 60 jours antérieurs de la première campagne. Puis, en décembre 2025, une analyse encore plus vaste a été publiée. Le détecteur LZ a complété le plus grand jeu de données jamais collecté par une expérience de matière noire, avec 417 jours de mesure entre mars 2023 et avril 2025, sans trouver de preuve de WIMPs entre 3 et 9 GeV. Cette dernière campagne a même livré un bonus inattendu : l’expérience a étendu sa recherche à des masses de WIMPs comprises approximativement entre trois et neuf fois celle du proton, tout en captant au passage des traces de neutrinos solaires, un phénomène que les chercheurs n’attendaient pas de voir avec ce type de détecteur.

Ne rien trouver n’est pas un échec ici, c’est la méthode elle-même. Chaque campagne sans détection élimine des pans entiers de théories sur la nature de la matière noire, resserrant l’étau autour des hypothèses restantes. L’expérience continue d’accumuler des données et prévoit de collecter 1 000 jours de données avant de s’arrêter en 2028, soit plus du double de l’exposition actuelle. D’ici là, dix tonnes de xénon continueront d’attendre, dans le noir et le silence relatif d’une ancienne mine d’or, l’improbable choc qui changerait tout.

Sources : llnl.gov | leadmethere.org