lundi 22 mai 2017

Record de sensibilité pour XENON1T dans la recherche directe de la matière noire

Lors de son inauguration en novembre 2015, Elena Aprile, responsable scientifique de l’expérience XENON1T de recherche de matière noire, l’avait prédit (voir ici) : il ne faudrait que quelques semaines pour atteindre une meilleure sensibilité que la meilleure obtenue par les expériences précédentes. Il aura fallu 34 jours...



XENON1T est ce qui se fait de mieux aujourd’hui dans la recherche directe de la matière noire. Le détecteur composé de 3,2 tonnes de xénon liquide a été conçu pour détecter de très rares collisions de particules massives (encore hypothétiques) qui constitueraient la matière noire. Les physiciens des astroparticules cherchent ainsi à compter le nombre de collisions attribuables à cette particule sur les atomes de xénon, pour en déduire sa probabilité d’interaction et sa masse, deux paramètres physiques qui doivent permettre de caractériser cette fameuse WIMP (Weakly Interacting Massive Particle).
En l’absence de collisions observées, les physiciens fixent des limites supérieures à la probabilité d’interaction (la section efficace)  de la particule pour une masse considérée : si aucune interaction n’est observée pour une certaine quantité d’atomes de xénon durant une certaine durée, cela signifie que la WIMP doit avoir une section efficace plus petite que celle qui aurait produit une collision. C’est ainsi que les physiciens, qui n’ont encore jamais observé de telles collisions élastiques entre WIMPs et noyaux d’atomes cibles au sein de leurs détecteurs, construisent des courbes d’exclusion dans l’espace paramétrique masse-section efficace. Des zones de plus en plus grandes sont désormais exclues, et ce pouvoir d’exclusion est appelée la « sensibilité » de l’expérience.
La précédente expérience du même type la plus sensible était LUX dont les ultimes résultats ont été publiés il y a quelques mois, talonnée par l’expérience chinoise PANDAX II qui exploite elle aussi la même technologie. Mais XENON1T, grâce à sa masse 10 fois plus importante, ne pouvait que balayer ces concurrentes en 10 fois moins de temps. Ce premier run expérimental a en effet duré très exactement 34,2 jours, entre novembre 2016 et le 18 janvier 2017, date à laquelle l’expérience a dû être stoppée à cause de la survenue d’un tremblement de terre.

Durant ces 34 jours, 63 interactions ont été observées dans le détecteur, mais l’analyse de leur spectre en énergie s’avère compatible avec des reculs d’électrons et non les reculs de noyaux attendus. Ces interactions parasites résiduelles permettent aux physiciens d’évaluer le taux de bruit de fond : 1,93 10-4 événements/(kg.jour.keV), ce qui se trouve être très proche de la valeur qu’ils avaient calculée par simulation (2,3  10-4 événements/(kg.jour.keV). Il s’agit simplement du niveau de bruit de fond le plus bas jamais atteint par une expérience de recherche directe de matière noire. Cette performance a pu être atteinte grâce au blindage ultra-performant du détecteur (blindages passifs et actifs) et à une purification poussée de tous les matériaux constituant le détecteur, y compris le xénon lui-même.
La section efficace d’interaction WIMP-nucléon la plus basse qui est annoncée dans l’article présentant ces premiers résultats de XENON1T (soumis à Physical Review Letters) vaut 7,7 10-47 cm², pour une masse de WIMP de 35 GeV/c², plus de 2 fois plus sensible que ce qu’avait obtenu LUX en plus d’un an de mesures.
Depuis l’arrêt intempestif sismique, l’acquisition de données a repris de plus belle au laboratoire souterrain du Gran Sasso. En extrapolant les chiffres publiés, la sensibilité pourrait descendre en dessous de 10-48 cm² d’ici la fin de l’année, si aucune WIMP n’est trouvée d’ici là. XENON1T fait désormais seule la course en tête des expériences de recherche directe de matière noire, avant de voir débouler en 2020 la version augmentée de LUX, nommée LZ, dont le design détaillé qui a été publié en mars dernier prévoit l’utilisation de 7 tonnes de xénon…

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Référence

First Dark Matter Search Results from the XENON1T Experiment
E. Aprile et al.


Illustrations 

1) Courbe d'exclusion obtenue par XENON1T (sections efficace en fonction de la masse) comparée avec d'autres expériences (E. Aprile et al.)

2) Le panneau de photomultiplicateurs du détecteur XENON1T (Collaboration XENON1T)