Premiers résultats de la recherche de WIMP avec l'expérience XENONnT

L'expérience XENONnT a été conçue pour rechercher des particules de matière noire avec une sensibilité supérieure d'un ordre de grandeur à celle de son prédécesseur. Le détecteur cylindrique au cœur de l'expérience est une chambre de projection temporelle (TPC). D'une hauteur et d'un diamètre d'environ 1,5 mètre, il est rempli de xénon liquide ultrapur maintenu à -95°C. Une masse de 5900 kg de xénon sur les 8600 kg nécessaires au fonctionnement du détecteur constitue la cible active pour les interactions avec les particules. Il est installé à l'intérieur d'un veto Cherenkov pour les muons et les neutrons, dans les profondeurs des Laboratoires nationaux du Gran Sasso (INFN), en Italie. XENONnT a été construit puis mis en service entre le printemps 2020 et le printemps 2021 et a pris ces premières données scientifiques sur 97,1 jours, du 6 juillet au 10 novembre 2021.

La signature d'une interaction entre un WIMP et un atome de xénon est un minuscule flash de lumière de scintillation accompagné d'une poignée d'électrons d'ionisation. Ceux-ci sont entraînés par un champ électrique appliqué vers le haut de la TPC où ils sont ensuite extraits par un champ électrique plus fort dans le xénon gazeux, au-dessus du liquide, produisant un deuxième signal de scintillation. Les deux signaux lumineux sont détectés par des photodétecteurs ultrasensibles, qui fournissent des informations sur l'énergie et la position en 3D, événement par événement.

 

Les expériences de recherche de la matière noire nécessitent le niveau le plus bas possible de radioactivité naturelle, provenant à la fois de sources intrinsèquement présentes dans la cible de xénon liquide, des matériaux de construction et de l'environnement. Celle-ci dominée par les atomes de radon qui sont constamment émis par les matériaux des détecteurs et qu'il est extrêmement difficile de réduire. La collaboration XENON a été la première à mettre au point des technologies permettant d'abaisser le radon à un niveau sans précédent, depuis les campagnes de sélection des matériaux jusqu'au système de distillation cryogénique en ligne qui élimine activement le radon du xénon. Un autre bruit de fond radioactif important provient des neutrons générés par la radioactivité des matériaux des détecteurs. Dans XENONnT, son impact a été réduit grâce à un nouveau détecteur de veto neutronique installé dans le réservoir d'eau autour du cryostat à xénon. Il permet de reconnaître et d'éliminer les événements neutroniques susceptibles d'imiter la signature des WIMP. Le détecteur XENONnT est si sensible aux interactions rares que même les neutrinos, les particules les plus insaisissables connues à ce jour, doivent être pris en compte dans le modèle d'arrière-plan.
Avec ce résultat, XENONnT renforce les contraintes précédentes dès la première courte exposition.

XENONnT recueille davantage de données, avec des conditions de détection améliorées et un niveau de bruit de fond encore plus faible grâce à une nouvelle amélioration du système d'élimination du radon en ligne, dans le but d'accroître la sensibilité des WIMP au cours des prochaines années.