jeudi 28 juin 2012

Matière Noire Détectée : Une Annonce trop Rapide ?

Le 12 avril dernier étaient publiés dans le European Physical Journal (1) les résultats tant attendus de l’expérience de recherche de matière noire CRESST (collaboration européenne), qui cherche à détecter des WIMPs grâce à des détecteur scintillateurs cryogénique (détection des collisions élastiques produisant de la lumière de scintillation plus une élévation de température dans des cristaux de Tungstate de Calcium).

Cette publication était attendue car on savait déjà via des présentations antérieures que CRESST annonçait un excès de signal qu’ils attribuent à la détection probable de WIMPs de faible masse. Un gros coup.
Ce type d’expérience, comme vous le savez, est très délicat à mener, il faut protéger les détecteurs du moindre bruit de fond radioactif ou du rayonnement cosmique, pour ne conserver que l’hypothétique signal utile, celui que l’on cherche à mettre en évidence. Et le signal produit par la radioactivité naturelle est identique à celui qui est recherché, d’où la difficulté et la nécessité de très bien connaître toutes les sources de bruit de fond radioactif en présence autour des détecteurs. Car il reste toujours un petit peu de radioactivité, toujours… même infime.
Tour de détecteurs de l'expérience CRESST (TUM)

Après avoir posé la situation, venons-en à cette publication de CRESST. Pour faire simple, l’analyse est très riche et se base sur une quantité de données très importante, égale à 730 kg.jours de mesures (l’équivalent d’un détecteur de 1 kg pendant 730 jours d’affilée sans arrêt).

Pour faire leur analyse, les physiciens de CRESST utilisent des méthodes très élaborées que je ne développerai pas ici, et, à partir de tous les événements détectés, procèdent par éliminations successives pour en enlever les différentes sources de bruits de fond connues. Ils en arrivent à la conclusion qu’ils observent un nombre assez important d’événements de type recul de noyau, qui ne correspondraient à aucun bruit de fond connu, et seraient ainsi des candidats pour être les WIMPs que nous cherchons si avidement.
Et ces WIMPs auraient la particularité d’avoir une masse relativement faible, ce qui est quelque chose d’un peu nouveau dans les modèles généralement admis aujourd’hui.

Ils font une analyse des signaux selon deux analyses statistiques un peu différentes qui conduisent à des valeurs légèrement différentes ainsi qu’à une masse et une section efficace qui ne sont pas les mêmes, mais dans les deux cas, ils évoquent plus de 20 WIMPs détectés (les signal events).
Les événements (et leur nature) détectés dans la zone d’intérêt sont donnés ci-dessous pour les deux analyses statistiques : 

                               M1                                        M2
e-/γ –events     8.00 ± 0.05                         8.00  ±0.05
α-events             11.5 +2.6 −2.3                   11.2 +2.5 −2.3
Neutron events 7.5 +6.3−5.5                     9.7 +6.1−5.1
Pb recoils            15.0 +5.2−5.1                    18.7 +4.9−4.7
Signal events     29.4 +8.6−7.7                   24.2 +8.1−7.2
mχ [GeV]            25.3                                       11.6
σWN [pb]           1.6 10−6                               3.7 10−5

Les niveaux de confiance statistiques correspondant, considérant que les événements en excès ne peuvent pas être juste du bruit de fond sont donnés à 4.7 sigmas et 4.2 sigmas respectivement pour les analyses M1 et M2. Ce qui veut dire un résultat  très robuste statistiquement.

Les différentes sources de bruit de fond identifiées sont prises en compte et pour chacune d’elle le nombre d’événements est donné : électrons et gamma (radioactivité béta), alpha (isotopes radioactifs émetteurs de particules alpha, neutrons (pouvant être issus d’interactions secondaires de muons ou de fissions spontanées d’uranium dans les roches environnantes), ainsi que des reculs de noyaux de Plomb... Tiens, pourquoi cette dernière contribution ? 

Parce qu’il existe un isotope, issu de la décroissance radioactive du Plomb-210, puis du Bismuth-210, qui s’appelle le Polonium-210, qui lui-même décroit en un autre isotope, le Plomb-206, en émettant une particule alpha. C’est le Radon-222, ambiant dans tout laboratoire, surtout souterrain, qui est à l’origine de cette chaine de produits radioactifs. Le Radon-222 est lui-même un lointain descendant de l’Uranium-238 contenu dans toutes les roches.

Chaîne de décroissance depuis le Pb-210

Alors, pourquoi je ne saute pas en l’air en clamant à hue et à dia que ça y est, on a découvert les WIMPs et ils n’ont pas la masse prévue ! C’est une révolution scientifique !

Et bien parce que d’une part ces résultats ne collent pas avec d’autres expériences du même type. Et surtout, surtout… Un nouvel article est paru à peine un mois plus tard…

Le 19 mai, donc, à peine un mois après la publication de l’article de CRESST, une équipe de physiciens canadiens, ayant été confrontés visiblement au même type de problème sur l’expérience DEAP (une autre manip de recherche de matière noire), ont publié un article dans Astroparticle Physics (2) reprenant les données de CRESST (on suppose aisément qu’ils avaient déjà fait leurs calculs mais attendaient la parution officielle de l’article de CRESST avant de publier le leur).
Ils y démontrent que les allemands et leurs collaborateurs auraient sans doute raté une source de bruit de fond, et que cette source de bruit de fond à elle seule pouvait expliquer en très grande partie les événements en excès observés à basse énergie (attribués aux WIMPs)!...

Quelle est donc cette nouvelle source  de bruit de fond ? Elle serait en fait liée au fameux Polonium-210 qui contaminerait en surface un élément de support en argent des détecteurs scintillateurs cryogéniques.
Le Po-210 comme on l’a vu plus haut émet un noyau de Pb-206 et une particule alpha avec une période radioactive de 138,38 jours. Ces derniers reculent dos à dos dans la matière (de l’argent dans notre cas) et peuvent en sortir dans certains cas pour atteindre le détecteur.
Plot des événements détectés par CRESST (scintillation en fonction de l'énergie de recul)
C’est une composante du bruit de fond qu’ont bien prise en compte les allemands de CRESST. Mais les canadiens montrent que, en plus, il peut avoir lieu un phénomène de sputtering, c’est-à-dire que les noyaux de Pb-206 dans leur mouvement de recul peuvent collisionner des noyaux d’atomes d’argent à la surface du support et ces noyaux d’argent vont ensuite être éjectés et produire des interactions dans le détecteur situé non loin de là, simulant alors un signal de WIMP… Et ça, les allemands de CRESST n’y ont pas pensé !

Qui plus est, les physiciens canadiens ont simulé en grands détails ces phénomènes de collisions interatomiques et montrent notamment que modéliser une surface complètement lisse (non réaliste) ne permet pas de reproduire le nombre d’événements en excès. En revanche, la prise en compte d’une surface rugueuse à l’échelle microscopique fait augmenter significativement le nombre de noyaux d’argent qui viennent interagir dans le détecteur cryogénique, donnant alors des valeurs tout à fait compatibles avec la petite trentaine d’événements « WIMP » clamée par CRESST...

Alors, WIMPs ou noyaux d’atomes d’argent ? La question est désormais ouverte et la balle est maintenant retournée dans le camp des physiciens de CRESST qui vont devoir redoubler d’efforts pour tenter d’isoler cette potentielle source de bruit de fond pour élucider la réalité de leurs événements « en excès ».
En excès de sensationnel, peut-être ?


Sources :
(1) Results from 730 kg days of the CRESST-II Dark Matter search
G. Angloher et al
Eur. Phys. J. C (2012) 72:1971

(2) Surface roughness interpretation of 730 kg days CRESST-II results
M. Kuźniak et al.
Astroparticle Physics 36 (2012) 77–82