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Jul 29, 2023

La chasse aux particules de matière noire et invisibles ?

Notre Univers regorge de mystères qui attendent d’être résolus. L’une des plus grandes énigmes de la physique moderne est la nature des particules de matière noire et des neutrinos. Malgré le fait qu'ils constituent un

Notre Univers regorge de mystères qui attendent d’être résolus. L’une des plus grandes énigmes de la physique moderne est la nature des particules de matière noire et des neutrinos. Malgré le fait qu’elles constituent une partie importante de l’Univers, nous en savons encore peu sur ces particules insaisissables. Cependant, grâce à des technologies révolutionnaires, nous nous rapprochons de la compréhension de leurs propriétés, afin de pouvoir les utiliser comme une nouvelle fenêtre sur l’Univers caché. Cette quête de connaissances approfondit non seulement notre compréhension de l’Univers, mais a le potentiel de révolutionner notre mode de vie.

Ici, nous verrons comment DarkWave, un projet financé par la Commission européenne (subvention n° 952480) et mis en œuvre par un consortium de cinq instituts de recherche – AstroCeNT/Nicolaus Copernicus Astronomical Center (un centre d'excellence récemment créé en Pologne en physique des astroparticules) , Laboratoire Astroparticule & Cosmologie/CNRS, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare et Gran Sasso Science Institute, Université Technique de Munich – contribuent à cet effort scientifique.

Dans le modèle standard actuel de la cosmologie, les particules de matière noire représentent 27 % de l’Univers et déterminent la façon dont les structures observées à l’échelle de la galaxie et plus grandes se forment, évoluent et se déplacent. La matière normale contribue à hauteur de 5 %, dont les neutrinos contribuent à hauteur de 0,3 %. Le reste est rempli d’énergie sombre, qui affecte le taux d’expansion de l’Univers.

Contrairement à la matière ordinaire, les neutrinos et la matière noire ne réagissent pas à la force électromagnétique. Ils ne sont même pas simplement sombres mais totalement transparents – ils n’absorbent, ne réfléchissent ni ne diffusent les photons. Il leur est donc difficile d’avoir un quelconque effet sur la matière normale : un grand nombre de neutrinos cosmiques et de particules de matière noire circulent constamment à travers la Terre sans effet notable. Néanmoins, le modèle standard de la cosmologie et le modèle standard de la physique des particules n’ont de sens que s’il existe une particule de matière noire, et les propriétés des neutrinos et de la matière noire sont essentielles à notre compréhension de l’évolution de l’Univers. Nous construisons donc des détecteurs pour les observer.

Les interactions des neutrinos avec la matière induisent des charges électriques détectables, mais elles sont si rares qu'il faut observer un grand nombre d'atomes cibles pour obtenir ne serait-ce qu'un petit nombre d'interactions. Pour la matière noire, la situation est encore plus compliquée : nous ne savons pas encore de quel type de particule il s’agit.

Certaines théories de la physique des particules prédisent une particule massive à faible interaction (WIMP) qui serait capable de se disperser sur les noyaux atomiques, leur conférant une certaine énergie cinétique. Des tonnes d'atomes cibles doivent être observées pour cette soudaine libération d'énergie cinétique supplémentaire au fil des années. De telles expériences sont réalisées dans des laboratoires souterrains profonds, tels que l'INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) en Italie, où est en cours de construction DarkSide-20k, le prochain détecteur de matière noire le plus sensible. Des kilomètres de roche sont nécessaires pour protéger le rayonnement cosmique naturel, qui autrement étoufferait complètement les signaux exotiques recherchés.

Détecter ces particules invisibles de matière noire revient à capter les photons qu’elles induisent indirectement dans la matière. L’un des meilleurs moyens d’être sensible aux interactions WIMP et neutrinos consiste à utiliser un scintillateur – un matériau qui émet des éclairs de lumière. Cette lumière traverse le grand volume du détecteur et est détectée par des photocapteurs disposés autour du volume cible. L'argon liquide est un excellent scintillateur, mais détecter son émission constitue un autre défi. La plupart des capteurs commerciaux ne sont pas sensibles à la lumière UV lointaine qu’ils émettent ; elle doit être convertie en lumière visible à l'aide de matériaux dits de décalage de longueur d'onde (WLS). L’un des défis de la prochaine génération de détecteurs de matière noire et de neutrinos consiste à étendre les technologies WLS et de photocapteurs à 100 m2 et plus. Le projet DarkWave aborde les aspects clés de ce défi : la génération, la collecte et la détection de la lumière.

Pour maximiser la quantité de lumière générée, de l’argon liquide spécialement purifié sera utilisé. Avant de remplir le détecteur DarkSide-20k, l'argon sera raffiné dans l'installation Aria récemment ouverte en Sardaigne, où une tour de distillation cryogénique de 350 m de haut est en cours de construction. Chaque photon est important, c'est pourquoi une combinaison de matériaux WLS et réflecteurs très efficaces est utilisée pour recouvrir les parois du détecteur. Le détecteur de veto, qui entoure le détecteur principal WIMP et supprime les bruits de fond naturels, a une superficie de 200 m2. Après des tests et des prototypages approfondis menés par AstroCeNT, ainsi que des mesures dans l'argon liquide au Gran Sasso, à l'Université de Zürich et au CERN, un plastique courant, le polyéthylène naphtalate (PEN), normalement utilisé pour fabriquer des objets tels que des bouteilles de bière, a été sélectionné comme WLS. pour le veto. L'efficacité du PEN est inférieure à celle des matériaux spécialement conçus, mais elle est compensée par son faible coût et par les installations de fabrication industrielles existantes sur de grandes surfaces.