Un choc. Un seul. Le 16 juin 2023, dans une cuve remplie de xénon liquide enfouie à environ 1 480 mètres sous les collines du Dakota du Sud, un noyau atomique a reculé. Rien de spectaculaire à l'œil nu : quelques photons, quelques électrons arrachés, une signature électronique de quelques microsecondes. Mais selon les physiciens de la collaboration LUX-ZEPLIN (LZ), il y aurait environ 99,5 % de probabilité que ce recul soit dû à une particule de matière noire — une entité jamais observée directement en près d'un demi-siècle de chasse.
Le média Clubic a repris l'information cette semaine, en prenant soin de préciser l'essentiel : « le résultat est toutefois loin du seuil statistique retenu pour parler de découverte ». C'est précisément là que se joue tout l'intérêt de cette annonce. Car en physique des particules, 99,5 %, c'est à peu près l'équivalent d'un « peut-être » prononcé avec beaucoup de prudence.
Ce que 99,5 % veut vraiment dire
Traduisons. Une probabilité de 99,5 % correspond, en langage statistique, à un écart d'environ 2,8 sigma par rapport au bruit de fond attendu. Autrement dit : si aucune particule de matière noire n'existait, un tel événement surviendrait quand même dans à peu près un cas sur deux cents, par pur hasard, par accumulation de circonstances malheureuses — un neutron égaré, une désintégration radioactive résiduelle dans un matériau de la cuve, une fluctuation du détecteur.
Un cas sur deux cents, c'est beaucoup. Surtout quand on examine des dizaines de milliers de canaux d'analyse, des centaines de plages d'énergie, plusieurs années de données. C'est ce que les physiciens appellent le look-elsewhere effect : si vous cherchez une bosse anormale n'importe où dans un vaste spectre, vous finirez immanquablement par en trouver une. La bonne question n'est jamais « quelle est la probabilité que ce pic précis soit du hasard? », mais « quelle est la probabilité qu'un pic quelque part soit du hasard? ». La seconde est toujours beaucoup plus grande que la première.
D'où la convention des 5 sigma, adoptée de facto par la communauté depuis les années 1990 et consacrée lors de l'annonce du boson de Higgs au CERN, le 4 juillet 2012. Cinq sigma, c'est environ une chance sur 3,5 millions que le signal soit une illusion statistique. Un seuil volontairement brutal, presque paranoïaque — et pour de bonnes raisons historiques.
Le cimetière des faux espoirs
La détection directe de matière noire est un domaine hanté. Depuis les années 1990, plusieurs équipes ont cru toucher la cible.
Le cas le plus célèbre demeure DAMA/LIBRA, sous le massif du Gran Sasso, en Italie. L'expérience, qui utilise des cristaux d'iodure de sodium, rapporte depuis plus de vingt ans une modulation annuelle de son taux de comptage — exactement le type de variation qu'on attendrait si la Terre traversait un « vent » de matière noire en tournant autour du Soleil. La significativité annoncée dépasse largement les 9 sigma. Sur le papier, une découverte écrasante.
Sauf qu'aucune autre expérience n'a jamais reproduit le résultat. Pire : les régions de paramètres compatibles avec DAMA ont été explicitement exclues par XENON, LUX, PandaX et CDMS. Les collaborations ANAIS, en Espagne, et COSINE-100, en Corée du Sud, qui ont volontairement reproduit la technologie de DAMA pour la tester, ne voient pas la modulation. L'hypothèse dominante aujourd'hui : un effet systématique lié aux variations saisonnières de température, de radon ou de flux de muons.
CoGeNT, aux États-Unis, a connu un destin analogue : un excès à basse énergie dans des détecteurs au germanium, annoncé au début des années 2010, progressivement dilué par une meilleure compréhension des bruits de fond de surface.
Puis il y a eu XENON1T, en juin 2020. Un excès d'événements électroniques à basse énergie, à 3,5 sigma. L'emballement a été considérable : on a parlé d'axions solaires, de moment magnétique anormal du neutrino, de nouvelle physique. La suite est éloquente. En 2022, XENONnT, le successeur plus sensible, a publié ses premiers résultats : l'excès avait disparu. L'explication? Une contamination résiduelle de tritium dans le xénon, à des concentrations de l'ordre de quelques atomes par 10²⁵. Une pollution invisible à toute mesure directe, mais suffisante pour simuler une révolution.
Cette histoire est la raison pour laquelle un physicien sérieux, devant 2,8 sigma, ne dit pas « nous avons trouvé la matière noire ». Il dit : « nous avons un candidat, et nous allons prendre plus de données. »
Un kilomètre de roche pour un peu de silence
Pourquoi tant de profondeur? Parce que la surface de la Terre est un lieu insupportablement bruyant pour ce type de recherche. Les rayons cosmiques y produisent en permanence des muons, qui génèrent à leur tour des neutrons capables de mimer parfaitement un recul de noyau induit par matière noire.
LZ est installée dans l'ancienne mine d'or Homestake, à Lead, au Dakota du Sud, devenue le Sanford Underground Research Facility (SURF) — le même site où Raymond Davis avait mené, dans les années 1960 et 1970, l'expérience sur les neutrinos solaires qui lui valut le prix Nobel de physique 2002. Le détecteur contient sept tonnes de xénon liquide actif et affiche des niveaux de radioactivité résiduelle parmi les plus bas jamais atteints par un instrument construit par l'humain.
LZ, qui regroupe une trentaine d'institutions et plus de 250 chercheurs, avait publié en 2024 les meilleures contraintes mondiales sur les WIMP — ces particules massives à interaction faible longtemps considérées comme les meilleures candidates. Contraintes, c'est-à-dire : des limites supérieures. L'expérience a jusqu'ici surtout excellé à démontrer où la matière noire n'est pas. C'est un travail moins glorieux, mais tout aussi essentiel : chaque exclusion referme une porte théorique.
Le contrepoint canadien : SNOLAB, à deux kilomètres sous Sudbury
Or le Canada n'est pas spectateur dans cette course. À Sudbury, en Ontario, à 2 070 mètres de profondeur dans la mine Creighton de Vale, SNOLAB constitue l'un des laboratoires souterrains les plus profonds et les plus propres de la planète — plus profond que SURF, avec une couverture rocheuse équivalente à environ 6 000 mètres d'eau.
C'est là qu'a été démontrée l'oscillation des neutrinos solaires par l'expérience SNO, sous la direction d'Art McDonald, prix Nobel de physique 2015 conjointement avec le Japonais Takaaki Kajita. Le site abrite aujourd'hui une famille d'expériences de matière noire qui, précisément, n'utilisent pas la technologie du xénon liquide :
- DEAP-3600, qui emploie 3,3 tonnes d'argon liquide plutôt que du xénon. Autre noyau cible, autre profil de bruit de fond, autre méthode de discrimination des signaux.
- PICO, qui exploite des chambres à bulles remplies de fluides surchauffés : un recul nucléaire y déclenche la formation d'une bulle, littéralement audible. Cette technique est remarquablement insensible aux reculs électroniques, ce qui en fait un excellent complément.
- SuperCDMS SNOLAB, en cours d'installation, qui traque les particules de faible masse à l'aide de détecteurs cryogéniques en silicium et germanium refroidis près du zéro absolu.
Des équipes universitaires québécoises participent à cet écosystème, notamment à l'Université de Montréal, où le Groupe de physique des particules est engagé dans les recherches menées à SNOLAB, ainsi qu'à McGill. Le financement canadien passe par la Fondation canadienne pour l'innovation, le CRSNG et l'Institut Perimeter, entre autres.
La leçon est méthodologique. En détection directe, un signal ne devient crédible que lorsqu'il est vu par des technologies différentes, dans des laboratoires différents, avec des noyaux cibles différents. C'est exactement ce qui a manqué à DAMA. C'est exactement ce que la complémentarité SURF–SNOLAB–Gran Sasso est conçue pour offrir.
Ce qui va se passer maintenant
LZ poursuit sa collecte de données et vise une exposition cumulée de 1 000 jours × tonne, soit plusieurs fois ce qui a servi de base aux analyses précédentes. Trois scénarios se dessinent.
Le premier : le taux d'événements de ce type augmente proportionnellement à l'exposition, et la significativité grimpe vers 3, 4, puis 5 sigma. Ce serait le plus grand résultat de la physique fondamentale depuis le Higgs.
Le deuxième, statistiquement le plus probable : l'événement reste isolé, ne se reproduit pas, et rejoint la longue liste des fluctuations. Le communiqué s'appellera alors « nouvelles contraintes améliorées », et personne n'en parlera à la télévision.
Le troisième : une source de bruit de fond insoupçonnée est identifiée — un isotope, un contaminant, un effet de bord du détecteur — et l'affaire est classée, comme pour XENON1T et son tritium.
Dans tous les cas, la prochaine étape ne se joue pas sur un communiqué de presse, mais sur des mois de calibration, de simulations Monte-Carlo et de vérifications croisées avec XENONnT en Italie, PandaX-4T en Chine, et les expériences de SNOLAB. Et à plus long terme, sur le projet XLZD, une fusion des collaborations XENON, LZ et DARWIN visant un détecteur de 60 à 80 tonnes de xénon — la génération qui approchera le « plancher de neutrinos », cette limite sous laquelle les neutrinos solaires deviendront eux-mêmes un bruit de fond irréductible.
L'enjeu réel : 85 % de la matière de l'Univers
Rappelons pourquoi tout cela compte. La matière noire n'est pas une curiosité de spécialistes : elle représente environ 27 % du contenu énergétique de l'Univers et près de 85 % de sa matière. Sans elle, les galaxies tourneraient trop vite pour rester assemblées, les amas se disperseraient, et la structure à grande échelle du cosmos telle que nous l'observons serait inexplicable. Son existence est établie par des preuves gravitationnelles multiples et convergentes, du fond diffus cosmologique aux lentilles gravitationnelles.
Ce qu'on ignore, c'est de quoi elle est faite. Aucune particule du modèle standard ne convient. La détection directe est l'une des trois grandes voies d'attaque, avec la détection indirecte (chercher les produits d'annihilation dans le ciel) et la production en accélérateur.
Et c'est là que la retenue statistique cesse d'être un tic de pédant pour devenir une vertu. La communauté a été échaudée assez souvent pour savoir qu'annoncer trop vite coûte plus cher que d'attendre. En 2011, OPERA croyait avoir mesuré des neutrinos plus rapides que la lumière; c'était un connecteur de fibre optique mal enfiché. En 2014, BICEP2 annonçait la détection des ondes gravitationnelles primordiales; c'était de la poussière galactique.
Alors non, la matière noire n'a pas été détectée en juin 2023 sous le Dakota du Sud. Mais un noyau de xénon a bougé, quelqu'un l'a vu, et personne ne sait encore pourquoi. En science, c'est déjà une nouvelle qui mérite d'être racontée — à condition de la raconter juste.