mercredi 16 juillet 2014

Matière Noire : toujours pas de WIMPs, et même de Moins en Moins

Les chercheurs de matière noire allemands viennent encore de frapper droit au but. Leur expérience s'appelle CRESST II et signifie Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers. Cette expérience est installée au laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie et si vous êtes un fidèle lecteur, vous savez que ces physiciens cherchent des WIMPs, particules hypothétiques de matière noire.



Les nouveaux résultats que nos amis allemands viennent de publier sur Arxiv (1) sont tout simplement une preuve qu'ils  font de la belle science. Vous vous souvenez sans doute que CRESST était une des trois expériences qui revendiquait avoir détecté quelques événements compatibles avec des interactions de WIMPs, c'était en 2011. Il faut désormais parler au passé car les résultats que la collaboration CRESST publie aujourd'hui viennent simplement rejeter catégoriquement les événements détectés antérieurement comme des WIMPs, qui s'avéraient donc n'être que du bruit de fond mal éliminé.
Courbes d'exclusion des WIMPs
(rouge : CRESST II, bleu plein : LUX, bleu pointillé ; XENON100, vert plein : SuperCDMS)
Ces nouveaux résultats ne montrent donc aucune WIMP à l'horizon, ce qui permet aux physiciens de CRESST de fournir une zone d'exclusion plus vaste que ce que nous connaissions auparavant, et ce surtout pour des WIMPs de très faible masse (je sais, une particule massive de très faible masse, c'est une terminologie étrange, mais disons que ça fait quelques GeV, ce qui est déjà assez massif, bref...). CRESST parvient ainsi à couvrir une zone inexplorée par les expériences concurrentes LUX, SuperCDMS ou EDELWEISS. C'est beau parce qu'ils ne s'entêtent pas face à l'évidence.

Il ne reste donc officiellement que deux expériences qui s'entêtent, elles, à revendiquer l'observation de WIMPs : l'italienne DAMA (depuis 1998) et l'américaine CoGENT (depuis 2012). Ces deux expériences là n'utilisent pas du tout les mêmes détecteurs, même si la méthode est toujours la même : détecter des collisions de WIMPs sur les noyaux d'atomes du détecteur. Le point commun de ces deux expériences est qu'elles observent une modulation annuelle de leur signal, qui correspondrait exactement à ce qu'on s'attendrait à voir si il s'agissait de WIMPs. Bien évidemment, la zone correspondante de ces signaux dans le graphe de la section efficace d'interaction en fonction de la masse de la particule est totalement exclue par toutes les autres expériences, y compris désormais CRESST.

Et voilà que quelques jours avant la publication de CRESST, un petit papier était publié (2), toujours sur le site de preprints Arxiv, par un certain Jonathan Davis de l'Université de Durham au Royaume-Uni qui propose une lumineuse explication pour le signal modulé observé par DAMA (et qui pourrait sans doute s'appliquer à celui de CoGENT).

Jusqu'ici, on pensait que tous les bruits de fond avaient été explorés pour essayer de comprendre ce signal. Un bruit de fond très intéressant est notamment constitué par le flux de muons cosmiques résiduel qui arrive encore jusqu'au laboratoire souterrain, ces muons produisant des neutrons dans des réactions secondaires sur les matériaux à fort numéro atomique, comme le plomb qui entoure les détecteurs pour les blinder contre les rayonnements gamma. Comme le flux de muons varie naturellement sur une base annuelle à cause de la variation de température dans la haute atmosphère, ils étaient un candidat parfait... Sauf que le maximum et le minimum (la phase de l'oscillation) ne correspondait pas avec celle du signal de DAMA (et de CoGENT, qui est identique).

Modélisation du signal de bruit de fond en considérant muons et neutrinos solaires (J. Davis)
Jonathan Davis s'est rendu compte qu'il existait une autre source de particules montrant une oscillation annuelle, due elle à la variation de la distance Terre-Soleil : il s'agit des neutrinos solaires provenant de l'isotope 8Be au cœur du soleil. Mais cette variation sinusoïdale du flux de neutrinos solaires a elle aussi une phase différente de celle du signal observé par DAMA, et aussi différente de celle de l'oscillation du flux de muons. Et ces neutrinos énergétiques (environ 15 MeV) produisent également des neutrons par interactions sur des noyaux lourds, bien qu'avec une section efficace très faible, mais ils ont l'avantage du nombre...

En ajustant l'amplitude de ces deux oscillations à phases différentes, on obtient une nouvelle sinusoïde ayant une phase intermédiaire. Et vous devinez ? Cette modulation prenant en compte à la fois le flux de muons et le flux de neutrinos, tous deux produisant des neutrons, colle parfaitement avec le signal observé par DAMA...
J'allais oublier : dans un détecteur de matière noire, on ne peut pas différencier un neutron d'une WIMP...

Jonathan Davis a peut-être mis le doigt sur la résolution d'un problème qui gène plus d'un chercheur de matière noire depuis 15 ans. Cette solution potentielle devrait pouvoir être testée par les expériences similaires à DAMA qui ont été lancées dans l'hémisphère sud, les phases des flux de muons devant être différentes et très vite observables.

En attendant, nous avons appris cette semaine que l'agence de financement fédérale aux Etats-Unis donnait son feu vert pour la poursuite d'une nouvelle génération d'expériences de recherche directe de matière noire :  deux cherchant des WIMPs : SuperCDMS et LZ (LUX+ZEPLIN), et une cherchant des axions : ADMX. La chasse continue...


Sources : 

(1) Results on low mass WIMPs using an upgraded CRESST-II detector
G. Angloher et al.

(2) Fitting the annual modulation in DAMA with neutrons from muons and neutrinos
Jonathan H. Davis