Le détecteur de matière noire XENONnT permet de tester la théorie de l’effondrement quantique

Le mystère de l’effondrement quantique mis à l’épreuve

Les théories de la mécanique quantique prédisent que certaines particules peuvent exister dans des superpositions, ce qui signifie essentiellement qu’elles peuvent se trouver dans plus d’un état à la fois. Selon un compte-rendu rédigé par Ingrid Fadelli, l’état d’une particule semble toutefois s’effondrer en un seul résultat au moment où il est mesuré. Ce phénomène singulier est couramment qualifié de problème de la mesure par la communauté scientifique.

Au cours des dernières années, de multiples physiciens théoriciens ont tenté d’expliquer les raisons et les mécanismes sous-jacents de cet effondrement. Ces réflexions ont conduit à l’introduction de modèles variés, à l’image du modèle de Localisation Spontanée Continue (CSL) et du modèle de Diósi-Penrose. Ces deux cadres théoriques prévoient conjointement que l’effondrement quantique spontané entraînerait inévitablement l’émission d’un faible rayonnement de rayons X. La détection expérimentale de cette radiation fournirait alors une preuve concrète de la validité de ces théories.

Une expérience particulièrement prometteuse pour tester ces hypothèses repose sur XENONnT, un détecteur de matière noire souterrain d’une extrême sensibilité, situé au Laboratoire national du Gran Sasso (LNGS) de l’INFN, en Italie. Dans un article récent publié dans la revue Physical Review Letters, des physiciens théoriciens en collaboration avec des expérimentalistes de l’expérience XENONnT ont analysé les données collectées par ce dispositif. Leurs conclusions remettent en question les modèles CSL et de Diósi-Penrose concernant l’effondrement quantique.

« XENONnT est l’une des expériences de recherche de matière noire les plus sensibles au monde, à la recherche d’une nouvelle physique à de très basses énergies », a déclaré à Phys.org Christian Wittweg, professeur assistant à l’Imperial College London, travaillant désormais sur LUX-ZEPLIN. « Lors d’un projet de master que j’ai supervisé à l’Université de Zurich, mon ancienne patronne, la professeure Laura Baudis, a suggéré que XENONnT pourrait, en fait, être utilisé pour tester ces idées expérimentalement. Jusqu’à récemment, cependant, les théories existantes de l’effondrement quantique spontané ne faisaient pas de prédictions claires dans cette gamme d’énergie. »

La genèse d’une collaboration théorique et expérimentale

Face à ce constat, Christian Wittweg, la professeure Laura Baudis et leurs collègues ont réalisé que les modèles théoriques existants limitaient considérablement les tests potentiels pouvant être réalisés avec le détecteur XENONnT. Ils ont par conséquent contacté leurs collaborateurs de longue date, Catalina Curceanu et Kristian Piscicchia, afin de combler cette lacune scientifique.

« Dans le même temps, mon groupe de recherche, le groupe PAMQ (Problèmes ouverts en mécanique quantique) au Centre de recherche Enrico Fermi à Rome, en collaboration avec l’expérience VIP (Violation du principe d’exclusion de Pauli) à l’Institut national italien de physique nucléaire, dirigée par Curceanu, a achevé une nouvelle étude théorique », a précisé Kristian Piscicchia, chercheur au Centre de recherche Enrico Fermi (CREF), chef de groupe pour le projet CREF ‘Problèmes ouverts en mécanique quantique’ et responsable national italien de l’INFN pour l’expérience VIP. « Ce travail a étendu les prédictions sur la façon dont les modèles d’effondrement spontané pourraient se manifester à basse énergie. »

Ce nouveau modèle, introduit par Piscicchia, Curceanu et leurs collaborateurs, avait été initialement développé dans le contexte des atomes de germanium, qui constituaient le point de mire des études antérieures. Il a démontré que les signaux attendus dépendaient lourdement du type d’atomes utilisés dans les détecteurs. « Simone Manti a effectué les calculs spécifiques pour les atomes de xénon », a souligné Piscicchia. « Le modèle a également prédit des signatures distinctives de différents mécanismes d’effondrement, en particulier dans la région des basses énergies, précisément là où XENONnT est le plus sensible. Ces informations ont ouvert la porte à l’application du modèle aux atomes de xénon, la cible utilisée par XENONnT. »

Les efforts théoriques conjugués de Piscicchia, Curceanu, Manti et leurs équipes ont fini par capter l’attention de Wittweg et de ses confrères. Cela a déclenché une alliance entre les deux groupes, visant explicitement à rechercher d’éventuels signaux d’effondrement quantique spontané en exploitant la sensibilité remarquable du détecteur XENONnT aux basses énergies. « À ce moment-là, Alexander Bismark, un doctorant à l’UZH, avait repris le travail pour sa thèse et a mené le projet à son terme avec Kristian », a expliqué Wittweg.

L’architecture et la précision du détecteur XENONnT

Le fonctionnement du détecteur XENONnT repose sur un vaste réservoir rempli de xénon liquide, un gaz rare et noble. Ce dispositif est fondamentalement une chambre à projection temporelle à double phase, ce qui implique qu’il mesure simultanément la lumière et les signaux électriques générés lorsque des particules, comme les neutrinos, les candidats à la matière noire ou les rayons X, interagissent à l’intérieur. « XENONnT est un cylindre avec des tubes photomultiplicateurs aux deux extrémités et des électrodes parallèles aux faces du cylindre pour appliquer des champs électriques », a détaillé Wittweg.

« Le cylindre est rempli de xénon liquide et possède une fine couche de gaz au sommet. Un rayon X provenant d’un effondrement quantique spontané dans le détecteur sera absorbé à quelques millimètres de son site d’émission. Le dépôt d’énergie conduit à l’excitation et à l’ionisation des atomes de xénon », a-t-il poursuivi. Cette excitation des atomes de xénon produit initialement de la lumière, un signal prompt désigné sous le nom de S1 (signal 1). Les électrons sont ensuite poussés à dériver vers l’interface liquide-gaz, située au sommet de l’appareil, sous l’action d’un champ électrique.

« Cela prend un certain temps en fonction de la profondeur de l’interaction des rayons X dans le détecteur », a précisé Wittweg. « Une fois au sommet, les électrons sont accélérés dans le gaz par un champ électrique plus fort où ils produisent un signal secondaire par électroluminescence dans le gaz, le signal 2 ou S2. Nous pouvons combiner ces signaux pour reconstruire l’énergie du rayon X et nous pouvons également déduire où le rayon X a été émis. » Pour distinguer d’éventuels signaux de rayons X significatifs du simple bruit de fond, l’équipe devait d’abord évaluer le nombre d’événements parasites et leur distribution énergétique en simulant toutes les sources de bruit dans le détecteur, puis en comparant ces résultats aux mesures réelles recueillies.

« En fait, nous les ‘ajustons’ aux données en utilisant des méthodes statistiques et notre connaissance précise de la radioactivité du détecteur », a indiqué Wittweg. « Après tout, nous vérifions la radioactivité de chaque matériau qui entre dans le détecteur, donc nous savons à quoi nous attendre. Le deuxième ingrédient, ce sont les modèles de signaux. Essentiellement, il s’agit à nouveau des distributions d’énergie des rayons X que nous attendons de l’effondrement quantique dans les modèles DP et CSL que nous avons sondés. » Piscicchia, Curceanu et Manti ont finalement permis de comprendre comment cette distribution d’énergie changeait de forme. « Un signal sans caractéristiques est difficile à trouver sur un fond sans caractéristiques comme nous l’avons dans XENONnT », a observé Wittweg. « Heureusement, les nouveaux modèles des théoriciens ont montré que les effets atomiques conduisent à la présence de ‘bosses’ dans le modèle à de basses énergies. Avoir des caractéristiques comme celles-ci rend votre analyse statistique beaucoup plus puissante. Maintenant, nous devions ‘juste’ vérifier : y a-t-il des bosses au-dessus de notre bruit de fond qui ressemblent à la prédiction théorique ou non ? »

Les chercheurs ont scrupuleusement analysé les données de la première campagne scientifique de XENONnT, qui s’est déroulée du 6 juillet au 10 novembre 2021. Afin de minimiser les signaux parasites provenant de la radioactivité résiduelle des matériaux de construction, ils se sont limités à un sous-volume de 4,37 tonnes, sur les 5,9 tonnes de xénon instrumenté au total. « Fondamentalement, nous nous sommes éloignés des parois et avons utilisé le xénon autour de notre volume d’analyse comme un bouclier anti-radiations, ce qui nous a fourni un bruit de fond plus faible », a justifié Wittweg. « Avoir un bruit de fond extrêmement faible couplé à un seuil d’énergie bas et un grand détecteur mesurant pendant longtemps est ce qui nous donne notre sensibilité pour ce signal. »

Des limites repoussées pour la physique expérimentale

Les analyses minutieuses de l’équipe n’ont révélé aucune preuve claire des rafales de rayons X prédites. Néanmoins, elles ont permis d’établir les limites les plus strictes à ce jour concernant les paramètres centraux des modèles d’effondrement quantique. « Les résultats de l’analyse ont été exceptionnels », a affirmé Piscicchia. « Bien qu’aucun signal d’effondrement spontané n’ait été observé, jusqu’à présent, cela représente la preuve la plus solide plaçant des contraintes strictes sur deux des principaux modèles d’effondrement : le modèle de Diósi-Penrose, dans lequel la gravité joue un rôle central dans l’induction de l’effondrement, et le modèle CSL. Pour le CSL, nous sommes plus de cent fois plus sensibles que les expériences de pointe précédentes. »

Cette initiative conjointe impliquant VIP, PAMQ et XENONnT pourrait filtrer efficacement certaines théories apparues récemment. « Bien que ne pas mesurer un signal puisse paraître décevant au premier abord, c’est simplement la nature de la physique expérimentale », a tempéré Wittweg. « Nous testons des théories et ne pas avoir de signal positif nous permet de les exclure ou de contraindre leurs paramètres autorisés. Nous n’avons pas totalement exclu les modèles d’effondrement spontané, mais il y a clairement de moins en moins de marge de manœuvre pour de possibles réalisations dans la nature. » De plus, cette recherche prouve à quel point les études de physique théorique et les expériences à grande échelle peuvent mutuellement s’enrichir.

« Un effort conjoint avec des systèmes de détection qui peuvent évoluer en même temps que la théorie (comme l’effort VIP-PAMQ-XENON) créerait des plates-formes flexibles qui font le pont entre la théorie et l’expérience, capables d’adapter leurs matériaux cibles et leurs systèmes de lecture en fonction de la physique que nous voulons tester », a estimé Piscicchia. « Ce type d’approche représente une voie prometteuse pour tester l’un des plus grands défis ouverts en physique : une théorie unifiée de la gravité quantique. » Les détecteurs de matière noire à base de xénon fonctionnent depuis plus de deux décennies. Contenant initialement quelques kilogrammes, ils abritent désormais plusieurs tonnes du gaz précieux, réduisant exponentiellement les signaux de fond.

« Certaines personnes appellent cela la loi de Moore des détecteurs au xénon », s’est amusé Wittweg. « C’est formidable pour les recherches de matière noire, mais cela va beaucoup plus loin. Nous trouvons de plus en plus de choses que nous pouvons sonder, comme l’effondrement quantique spontané où nous sommes des leaders mondiaux du premier coup. C’est ce que vous apportent un faible bruit de fond, un seuil d’énergie bas et une grande exposition : la polyvalence. Les détecteurs de matière noire au xénon ne sont plus seulement des détecteurs de matière noire. Ils deviennent des observatoires pour la physique des astroparticules. J’ai terminé mon postdoctorat à Zurich, donc j’aime les considérer comme des couteaux suisses. »

Pour imposer de nouvelles contraintes ou capter les signaux prévus, il faudra collecter davantage de données avec moins de bruit de fond. « Le bruit de fond dans ce contexte est principalement constitué par les désintégrations radioactives du plomb (Pb-214), un produit de désintégration du gaz noble radioactif radon, puis il y a les neutrinos solaires qui se diffusent sur les électrons atomiques du xénon. Le flux de neutrinos solaires sur Terre est de 70 milliards de neutrinos par seconde et par centimètre carré, soit la surface de l’ongle de votre pouce. Même avec leur infime probabilité d’interaction, les neutrinos produisent des signaux qui deviennent une part considérable du budget de bruit de fond de XENONnT. » Incapables de bloquer les neutrinos ou d’éteindre le soleil, les chercheurs devront réduire les autres perturbations. « Après la première campagne scientifique de XENONnT, nous avons pu diviser par deux le taux de désintégration du radon à l’intérieur de la cible de xénon, de sorte que le bruit de fond associé est maintenant au même niveau que les neutrinos solaires », a conclu Wittweg. « De plus, nous avons maintenant en main environ six fois plus de données que celles que nous avons utilisées pour l’analyse de l’effondrement quantique. Je suis sûr que cela nous donnera une belle suite. »

XLZD et l’horizon d’une théorie unifiée

En parallèle de ces efforts continus, les expérimentalistes travaillent activement à l’élaboration d’un nouveau détecteur de matière noire doté de sensibilités sans précédent. Ce futur dispositif, déjà en cours de création, abritera une masse 5 à 10 fois supérieure à celle des détecteurs XENONnT et LUX-ZEPLIN (LZ), et portera le nom de XLZD. « Pour XLZD, les collaborations XENON, LZ et DARWIN ont uni leurs forces pour construire l’ultime détecteur de matière noire WIMP », a annoncé Wittweg. « Le plan est de sonder la matière noire jusqu’au brouillard de neutrinos, une région où les neutrinos provenant du soleil, des supernovae passées et de l’atmosphère commencent à imiter parfaitement les signaux WIMP. »

« Il y a encore un long chemin à parcourir avant d’atteindre le brouillard, il y a donc de bonnes chances pour une découverte en cours de route », a-t-il ajouté avec optimisme. « Mais XLZD ne se résume pas à la matière noire. Il cherchera l’effondrement spontané, mesurera les flux de neutrinos solaires et concourra dans les recherches sur la double désintégration bêta sans neutrino. Il y aura beaucoup de choses à découvrir dans la décennie à venir. » Ce nouveau détecteur WIMP pourra sonder des régions d’énergie inaccessibles aujourd’hui, tandis que l’équipe de Piscicchia et Curceanu poursuivra sa traque des signatures d’une nouvelle physique.

« Un aspect de ces efforts réside dans la perspective phénoménologique, à savoir la tentative d’identifier et de modéliser les effets mesurables des nouvelles théories de la physique, dans le but de dévoiler des signaux d’une nouvelle physique ou de contraindre le développement de telles théories », a détaillé Piscicchia. À mesure que les instruments gagnent en acuité, comme le démontrent les mesures analysées, les modèles théoriques sont contraints d’évoluer vers des formulations plus matures. Piscicchia collabore toujours étroitement avec d’autres théoriciens de premier plan, et de nouvelles expériences sont en cours de conception au sein de VIP pour identifier la signature électromagnétique caractéristique liée à l’interaction entre le champ d’effondrement et diverses cibles atomiques optimisées.

« L’investigation de ce sujet fascinant va au-delà de la résolution du problème de mesure de longue date, c’est-à-dire le problème de l’effondrement de la fonction d’onde, qui se trouve au cœur même des fondements de la mécanique quantique », a rappelé Piscicchia. « Je suis fermement convaincu, et plusieurs études vont dans ce sens, que l’effondrement spontané peut être intimement lié à la résolution de l’un des défis ouverts les plus profonds de la science : la réconciliation de la gravité avec la mécanique quantique. » Depuis sa première description par Newton au 17ème siècle, l’interaction gravitationnelle n’a toujours pas trouvé sa place dans un cadre compatible avec les lois quantiques.

Déterminer les conséquences expérimentales d’un tel cadre théorique unifié sera l’objectif crucial des futurs travaux de l’équipe de chercheurs. « Des approches théoriques remarquables tentent, par exemple, de quantifier le champ gravitationnel (comme dans la théorie des cordes ou la gravité quantique à boucles) ou, alternativement, de ‘gravitiser la mécanique quantique’, pour reprendre une expression de Sir Roger Penrose », a ajouté Piscicchia. « Ces approches partagent souvent une caractéristique commune : un ‘flou’ fondamental de la structure de l’espace-temps, c’est-à-dire une limitation intrinsèque dans la mesurabilité des intervalles d’espace-temps, qui rappelle les premières idées de discrétion remontant à Démocrite. Cette incertitude intrinsèque de l’espace-temps, se manifestant à des échelles d’énergie ou de longueur bien au-delà de la portée expérimentale actuelle, pourrait induire des processus d’effondrement spontané, potentiellement observables par leurs signatures de rayonnement électromagnétique caractéristiques. » Les théoriciens œuvrent désormais à forger un nouveau cadre phénoménologique permettant de mettre cette audacieuse hypothèse à l’épreuve des faits expérimentaux.

Détails de la publication : E. Aprile et al, Challenging Spontaneous Quantum Collapse with the XENONnT Dark Matter Detector, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/2jm3-4976.

Selon la source : phys.org