24/10/2013

LUX : un Détecteur à la Recherche de la Matière Noire

MISE A JOUR : voir les résultats annoncés le 30 octobre

Comme de nombreuses autres expériences dédiées à la recherche directe de la matière noire (recherche de l'observation de faibles interactions de particules massives), l'expérience américaine LUX (Large Underground Xenon Experiment) s'est enfouie sous terre.
C'est une ancienne mine, située dans le Dakota du Sud, rebaptisée le laboratoire Sanford Underground Research Facility (SURF), du nom du mécène qui a financé en grande partie les installations, qui sert d'antre pour ce détecteur hors normes.
Principe de la chambre à projection temporelle permettant de localiser une interaction
LUX est une chambre à projection temporelle au xénon liquide/gazeux. Le design des chambres à projection temporelle n'est pas récent, il date des années 1970. Ces détecteurs permettent de localiser très précisément en trois dimensions la position d'une interaction d'une particule. Un réseau de photomultiplicateurs donne une information en deux dimension et la durée de dérive des électrons créés en même temps que le flash de scintillation fournit la position dans la troisième dimension. Le xénon est un scintillateur : lorsqu'une particule dépose un peu de son énergie dans le liquide, ce dernier émet de la lumière, dont l'intensité est proportionnelle à la quantité d'énergie déposée, et en même temps, il est ionisé.
Les détecteurs de lumière ultrasensibles positionnés judicieusement tout autour du volume de xénon permettent d'enregistrer tous les événements qui se passent dans le volume du scintillateur.
Les détecteurs de lumière équipant LUX peuvent détecter jusqu'à un unique photon...
Détail sur un des photomultiplicateurs de LUX (Brown University)

Bien évidemment, il ne faut pas uniquement se protéger du flux de muons cosmiques en s'enterrant, il faut également éviter le moindre bruit de fond radioactif de la radioactivité naturelle qui existe partout (dans les parois du labo souterrain, dans les matériaux de structure, dans le xénon lui-même. Pour cela, les physiciens américains de LUX ont soigneusement purifié leur xénon, de sorte qu'il ne comporte aucune (ou presque) impureté radioactive.


Le xénon liquide a également le bon goût de posséder une densité proche de trois fois celle de l'eau, il arrête ainsi assez facilement les quelques rayons gamma qui peuvent lui arriver dessus. Il forme en fait un autoblindage. Comme la position des interactions peut être obtenue, il suffit de ne regarder que celles qui ont lieu au centre du volume, protégé par les couches externes.
La masse de détecteur est un facteur clé pour augmenter la probabilité d'interactions de particules (des WIMPs), et LUX fournit une masse inégalée de 368 kg de xénon. 

La sensibilité annoncée de LUX, grâce à sa très grande masse et à son efficacité de détection de la lumière de scintillation, doit mener à une amélioration d'un facteur 100 par rapport aux meilleurs résultats actuels, avec notamment un seuil de détection très bas, permettant d'observer potentiellement des particules peu massives.

         
Partie centrale du détecteur LUX avant remplissage de xénon et avant mise en place du blindage externe (LUX collaboration).

Les performances de LUX doivent permettre, pour faire simple, de faire la loi au sujet des WIMPs et de devenir l'expérience leader mondiale dans la recherche directe de ces particules encore hypothétiques (mais pour combien de jours ?), rien de moins...

Les  physiciens et physiciennes qui composent la collaboration LUX ne viennent pas de n'importe où, une grande partie sont issus d'anciennes expériences de recherche de matière noire (XENON10 et ZEPLIN III) et d'autres viennent du monde des grandes expériences d'étude des neutrinos comme SuperK, SNO ou IceCube. 
Les membres de la collaboration LUX (LUX Collab.)
Pour être exhaustif, les institutions impliquées sont les suivantes : 
  • Brown University
  • Case Western Reserve University
  • University of Rochester
  • Imperial College London
  • Edinburgh University
  • Lawrence Livermore National Laboratory
  • South Dakota School of Mines and Technology
  • University of Maryland
  • Texas A&M University
  • University of California, Davis
  • University College London
  • LIP Coimbra, Portugal
  • University of South Dakota
  • Lawrence Berkeley National Laboratory
  • University of California, Berkeley
  • University of California, Santa Barbara
  • Yale University

Les premiers résultats très attendus de LUX seront rendus publics au cours d'un événement médiatique le 30 octobre prochain. Séminaire webcasté à suivre sur http://sanfordlab.org/public-event/1610