Des équipes de physiciens du monde entier tentent de détecter la matière noire, une substance insaisissable qui n’émet, n’absorbe ni ne réfléchit la lumière. Parce qu’elle manque d’interactions avec les forces électromagnétiques, la matière est très difficile à observer directement, et donc la plupart des chercheurs recherchent plutôt des signaux résultant de ses interactions avec d’autres particules dans son environnement.

L’expérience PandaX est un effort de recherche dédié à la recherche de matière noire à l’aide de données recueillies par le détecteur d’astrophysique et de particules Xenon, situé au China Jinping Underground Laboratory (CJPL) dans le Sichuan, en Chine. Dans un article de recherche récent publié dans Lettres d’examen physiqueles chercheurs impliqués dans cette expérience à grande échelle ont publié les résultats de leurs dernières recherches sur la matière noire claire (c’est-à-dire l’interaction faible des particules massives de masse inférieure à 1 GeV).

« Actuellement, il existe de fortes limitations pour les candidats de matière noire de masse lourde dérivés de résultats nuls dans les expériences de détection directe avec des détecteurs au xénon », ont déclaré Yue Ming, Cheng Lin et Ning Zhou à Tech Xplore, au nom de la collaboration PandaX. Cependant, les recherches conventionnelles ne sont pas sensibles à la matière noire de masse légère (moins de GeV/c2) en raison du seuil d’énergie de détection. L’utilisation du signal d’ionisation uniquement (S2 uniquement) pour rechercher de la matière noire de masse légère peut abaisser le seuil d’énergie De ~ 1 keV à 0,1 keV Les analyses de données précédentes de S2 uniquement dans des détecteurs au xénon n’ont pas été en mesure de modéliser le fond, ce qui a empêché des recherches efficaces et sensibles de matière noire de masse légère.

Dans les détecteurs biphasiques au xénon, tels que le détecteur PandaX, la matière noire peut généralement se manifester via des signaux instantanés de luminescence (S1) et d’ionisation (S2). Pour réduire le seuil d’énergie auquel ce signal peut être détecté, Meng, Lin, Zhou et leurs collègues se sont concentrés sur le second de ces signaux (S2), le soi-disant signal d’ionisation, qui se produit lorsque les électrons sont ionisés à partir d’atomes de xénon, et puis extrait du xénon liquide sous champ électrique.

« Nous nous sommes concentrés uniquement sur les données d’ionisation, car le signal d’ionisation S2 est amplifié dans le champ électrique élevé dans la région du gaz xénon, et l’exigence S1 est assouplie », ont expliqué les chercheurs. Au cours de la mise en service de PandaX-4T, environ 90 jours de données ont été collectées. Nous avons d’abord supprimé l’aveugle de la région de contrôle pour valider l’estimation du bruit de fond, puis supprimé l’aveugle de la région de signal pour tester le signal de matière noire de masse légère. Au final, aucune différence significative un excès a été observé et nous avons dérivé des contraintes sur les particules de matière noire claire.

Bien que ces derniers travaux de la collaboration PandaX n’aient pas abouti à des observations de signaux indiquant la présence de matière noire claire, ils ont permis aux chercheurs d’imposer des limites plus strictes à la détection de ce type de matière noire en recherchant des signaux d’ionisation. Ces limitations limitent une masse de l’ordre de 40 MeV/c² à 10 gv/c² Pour l’interaction de la matière noire avec l’électron ponctuel, 100 MeV/c² à 10 gv/c² pour l’interaction de la matière noire avec un électron via un milieu lumineux, et 3,2 à 4 GeV/c² pour l’interaction matière noire–nickel indépendante du spin.

« C’est la première fois que seuls les fonds ionisants ont été compris et modélisés dans des chambres de projection temporelle au xénon liquide modernes avec un seuil d’énergie faible au niveau des électrons », ont déclaré Ming, Lin et Zhu. « Les résultats fournissent les contraintes les plus strictes à ce jour sur les interactions possibles des particules de matière noire sur de larges plages de masse allant jusqu’à environ 40 MeV/c.² à 10 gv/c²selon le type d’interaction. La nouvelle frontière se rapproche de l’espace des paramètres que les chercheurs s’attendent à ce que les particules de matière noire produites par des mécanismes cryogéniques et cryogéniques dans l’univers primitif pourraient habiter. »

De nouvelles contraintes développées par la collaboration PandaX pourraient faciliter de nouvelles recherches sur la matière noire légère en utilisant les données collectées par les détecteurs biphasiques au xénon. Pendant ce temps, le détecteur PandaX collecte plus de données à un niveau de fond inférieur, ce qui pourrait aider à imposer des limites de plus en plus strictes à la matière noire claire, contribuant potentiellement à sa détection à l’avenir.

« L’essai PandaX-4T continue de collecter des données et d’améliorer la sensibilité de ses recherches », ont ajouté Meng, Lin et Zhou. « Sur la seule base de notre meilleure compréhension de l’arrière-plan S2, nous prévoyons de le supprimer davantage en développant un meilleur algorithme de discrimination avec plus de données collectées et / ou en améliorant le cas d’exécution pour supprimer les origines de ces arrière-plans. »