23/03/2013

C-4 : Détecter les WIMPs en Moins de Deux Ans.

Parmi les nombreuses expériences dédiées à la détection directe de la matière noire sous forme de particules exotiques de type WIMPs, trois expériences ont annoncé avoir mesuré un excès de signal ne pouvant pas être a priori du bruit de fond. Ces manips sont l'italienne DAMA (depuis 2002), l'allemande CRESST (en 2011) et l'américaine CoGeNT (en 2010).
Les données des trois expériences ne sont pas tout à fait compatibles entre elles, ce qui donne un doute logique sur ces différentes annonces.



Parmi ces trois résultats, deux d'entre eux montrent une modulation annuelle du signal (DAMA et CoGeNT) : l'amplitude du taux d'interaction observé varie au cours d'une année avec un maximum fin mai et un minimum 6 mois plus tard. Ce phénomène de modulation du signal est justement ce qui est attendu pour les WIMPs... Le phénomène est dû à la différence de vitesse relative de la Terre par rapport à la galaxie lorsqu'elle se déplace dans le même sens que le soleil ou dans le sens opposé au cours de sa rotation annuelle.
Modulation du signal de CoGeNT et C-4

Bien évidemment, tout le monde a cherché à mettre en cause l'existence d'une source de bruit de fond non prise en compte et qui aurait elle aussi une modulation annuelle expliquant les observations. Et il se trouve qu'il en existe deux. Les détecteurs utilisés pour la détection directe de WIMPs peuvent être de différents types (comme le sont les trois en question) mais ils ont en commun d'être ultra sensibles à toutes sortes de rayonnements, aussi bien des électrons, des particules alpha, des rayons gamma ou des neutrons.
Les deux sources de bruit de fond (signal parasite pouvant mimer celui d'une WIMP) qui montrent une variation au cours de l'année avec un maximum à la fin du printemps et un minimum en hiver  sont d'une part la quantité de radon et d'autre part le flux de muons cosmiques.

Il faut se rappeler que les expériences comme DAMA, CRESST ou CoGeNT sont enfouies sous terre (une ancienne mine pour CoGeNT) ou sous des montagnes (sous le Gran Sasso pour les deux autres).
Les roches entourant les cavernes utilisées par les physiciens sont naturellement radioactives comme toute la croûte terrestre. Un des radioéléments descendants de l'uranium est un gaz radioactif, le radon 222, qui peut se retrouver ainsi dans l'atmosphère proche des détecteurs.
Et il se trouve que la quantité de radon dans le laboratoire souterrain est légèrement dépendante de la pression et de la température de l'atmosphère extérieure au laboratoire (il faut bien que nos physiciens puissent respirer!), qui elle, varie globalement entre l'été et l'hiver. Il s'ensuit une variation annuelle de la quantité de radon dans le laboratoire.

La deuxième source de bruit de fond modulé annuellement est le flux de muons cosmiques. Produits dans la haute atmosphère par des interactions secondaires de rayons cosmiques primaires, les muons pour arriver à la surface de la Terre doivent traverser plusieurs kilomètres d'atmosphère, or, cette atmosphère se trouve être plus ou moins dense en fonction de la température qui y règne. Là encore, les différences de température entre été et hiver suffisent à faire varier très légèrement le flux de muons cosmiques qui arrivent à la surface, et donc les quelques uns qui parviennent (malheureusement) à traverser les montagnes et se retrouver dans le laboratoire souterrain... Par la suite, ce ne sont pas directement les muons qui vont produire un bruit de fond gênant dans les détecteurs mais le produit de leurs réactions dans des matériaux denses comme le plomb (qui entoure le plus souvent les détecteurs) : des neutrons.
Schéma de l'expérience C-4, les détecteurs sont au centre: (1) : blindage Cu ultrapur (16 mm); (2) : Plomb très basse radioactivté (25 mm); (3) : Plomb basse radioactivité (25 mm); (4) Plomb standard (254 mm); (5) boitier aluminium étanche au radon (3 mm); (6) polyéthylène boré (25 mm); (7) scintillateur plastique détecteur de muons (50 mm); (8) eau (500 mm).


Pour savoir si ces pistes étaient les bonnes, des expériences, indépendantes des chercheurs de WIMPs, ont mesuré le plus précisément possible comment variaient ces deux contributions potentielles, à la fois dans le laboratoire du Gran Sasso, par l'expérience BOREXINO et dans la mine de Soudan (par l'expérience MINOS). 
Et le résultat est clair, net et précis : que ce soit au Gran Sasso ou à Soudan : à la fois l'amplitude de la modulation des deux bruits de fond, mais aussi (et surtout!) la phase (c'est à dire les dates du maximum et du minimum) sont incompatibles avec la modulation des signaux observés par DAMA d'un côté et CoGeNT de l'autre!... En d'autres termes, les modulations observées par DAMA et CoGeNT ne peuvent pas être issues des bruits de fond radon et muons.

Alors que la modulation observée par DAMA est très claire et possède une statistique énorme, celle de CoGeNT en revanche n'est pas basée sur un nombre d'événement suffisant pour être statistiquement irréfutable (elle n'est définie qu'à un niveau de confiance à 2.8 sigma, contre 8.9 sigma pour DAMA).

Sensibilité prévue de C-4 pour les WIMPs de faible masse, par rapport à DAMA, CRESST et CDMS

C'est pour confirmer (ou inversement infirmer) l'existence d'une modulation annuelle dans leurs mesures que les physiciens américains initiateurs de l'expérience CoGeNT ont décidé de décupler leur expérience. Ils proposent aujourd'hui de transformer CoGeNT en une nouvelle expérience baptisée C-4.
C-4 sera basée sur exactement la même technologie que CoGeNT, des détecteurs semiconducteurs au germanium refroidis, relativement classiques. Ces détecteurs ne permettant pas de discrimination des particules incidentes, mais permettant de rejeter les interactions ayant lieu en surface. Ces détecteurs seront surtout extrêmement bien blindés contre la radioactivité extérieure (voir la figure ci-dessus).

C-4 sera constituée en fait de 4 détecteurs Germanium, chacun étant 3 fois plus gros que l'unique détecteur de l'expérience initiale CoGeNT, qui faisait un peu moins de 500 g. C-4 disposera ainsi d'environ 10 fois plus de masse utile pour la détection de collisions élastiques de WIMPs. C-4 obtiendra donc en 1 année ce que CoGeNT aurait mis 10 ans à enregistrer...

Les physiciens américains prédisent qu'ils pourront, à partir du début du fonctionnement à 4 détecteurs, en moins de deux ans, soit confirmer définitivement l'existence d'une modulation et d'en préciser l'énergie des interactions (et donc les caractéristiques des particules responsables) ou bien d'infirmer (avec un niveau de confiance à 5 sigmas) l'existence de ces signaux en excès modulés et rejeter définitivement les annonces des expériences concurrentes...

Il est bien possible que dans la course aux WIMPs, le Germanium gagne finalement face au Xénon... à moins que LUX, qui débute ses opérations, nous réserve des surprises...

source :
The C-4 dark matter experiment
R.M. Bonicalzi et al.
Nucl. Instr. Meth. A 712, 27-33 (June 2013)

Lire aussi : La Bataille du Xénon Liquide