Le domaine de la recherche directe de matière noire connaît une expansion significative au cours de cette décennie, avec l'arrivée de nombreuses nouvelles expériences qui explorent de nouvelles voies pour accroître la sensibilité aux particules massives à faible interaction (WIMPs), le principal candidat à la matière noire. DarkSide est un programme en plusieurs étapes spécialement conçu pour rechercher des WIMPs de masse supérieure à 50 GeV, en utilisant la technique de chambre de projection temporelle (TPC) à argon liquide à double phase. Dans une telle chambre, l'énergie déposée par un WIMP interagissant, par diffusion élastique, sur un noyau d'argon peut être détectée en observant à la fois les signaux de scintillation et d'ionisation, qui sont convertis en impulsions de lumière visible et détectés par des photocapteurs.
L'équipe APC, impliquée dans DarkSide depuis 2012, a dirigé la récente réanalyse des données acquises avec DarkSide-50, un TPC de 50 kg d'argon liquide, exploité aux laboratoires nationaux du Gran Sasso de 2013 à 2019. La nouvelle analyse, visant à rechercher des interactions de candidats " légers " de matière noire, est basée sur la détection du signal d'ionisation amplifié par électroluminescence en phase gazeuse. Avec le CPPM et le LPNHE, les autres laboratoires français impliqués dans DarkSide, l' APC a fourni en 2021 la toute première calibration de la réponse d'ionisation de l'argon liquide dans la gamme sub-keV. Ce qui a permis d'abaisser le seuil d'analyse de DarkSide-50 du seuil nominal de 40 keV à 4 électrons d'ionisation, soit ~0,6 keV.
Le seuil bas est un élément clé de la nouvelle analyse, qui a également bénéficié d'une exposition prolongée, d'une meilleure sélection des données et d'un modèle de fond plus précis. L'analyse a étendu les limites précédentes de DarkSide-50 sur les interactions WIMP-nucléons indépendantes du spin jusqu'à un ordre de grandeur, établissant les meilleures limites au monde sur les WIMPs de masses comprises entre 1,2 et 3,8 GeV. La limite a été étendue aux WIMPs ayant des masses de quelques dizaines de MeV en exploitant l'effet Migdal, à savoir l'émission d'électrons ou de rayons X provenant du réarrangement de l'atome d'argon après l'interaction nucléaire. La nouvelle analyse a également établi les meilleures limites au monde pour l'interaction WIMP-électrons, les particules de type axion, les photons sombres et les neutrinos stériles.
Ce résultat démontre l'extraordinaire potentiel de découverte de l'argon liquide dans la recherche d'interactions entre particules de matière noire. Il est également très prometteur dans la perspective de DarkSide-20k, le détecteur en construction qui commencera à prendre des données en 2026 avec 50 tonnes de masse active.
