Dark Side (of the WIMPs) : une Belle Expérience

C'est une belle et ambitieuse manip. Elle s'appelle Dark Side 50. Son but : détecter des WIMPs, des particules formant la matière sombre, si elles existent. Dark Side 50 est actuellement en cours d'installation dans le temple de la physique souterraine, le LNGS, Laboratoire du Gran Sasso, en Italie, où elle va cotoyer de nombreuses autres manips de recherche directe de matière noire...

La collaboration Dark Side est formée à la fois d'européens et d'américains, ce qui est relativement rare dans le milieu de la recherche des WIMPs, première innovation. 

Mais les plus grosses innovations sont technologiques, bien sûr. Outre le fait que le tunnel du Gran Sasso a été sélectionné pour lieu de résidence avec ses 3600 mètres d'équivalent eau de roche de couverture contre les muons cosmiques pour obtenir le bruit de fond le plus bas possible, la technologie qui a été choisie est parmi les plus prometteuses du moment, à savoir une chambre à projection temporelle (une TPC dans l'acronyme international), mais utilisant de l'argon liquide et gazeux, en lieu et place du déjà utilisé par ailleurs xénon : 50 kg d'argon.

Schéma de la TPC de Dark Side 50

Les WIMPs, en interagissant dans l'argon liquide, doivent produire un signal de scintillation (observée dans la phase liquide) et d'ionisation, récupéré dans l'argon gazeux. 

Mais comme toute manip de recherche d'événements ultra rares, le soucis est le bruit de fond de la radioactivité naturelle, et notamment, spécifiquement pour Dark Side, ce ne sont pas vraiment les isotopes qui produisent des rayonnements gamma qui vont être le problème, puisque la technologie des TPC à argon diphasique permet une très bonne discrimination des signaux produits par des gammas et les signaux produits par des reculs de noyaux (ce qui est recherché). Non, le soucis majeur est justement ce qui peut produire des reculs de noyaux similaires à ceux produits par des WIMPs. Et ce qui peut créer ce type d'événements, ce sont les neutrons.

Il existe en fait deux sources distinctes de neutrons dans une manip comme Dark Side située dans les profondeurs d'une montagne : d'une part des neutrons dits radiogéniques, et d'autre part les neutrons cosmogéniques.

Les neutrons radiogéniques sont les neutrons qui sont issus de la décroissance radioactive de certains éléments présent en infimes quantités dans les matériaux formant ou entourant les détecteurs (de l'uranium par exemple).

Les neutrons cosmogéniques, eux, ont une énergie plus grande et sont produits par des réactions secondaires des quelques muons cosmiques qui parviennent quand-même à traverser la montagne des Apennins et à arriver jusqu'au détecteur.

La nouveauté technologique que Dark Side 50 va déployer pour contrer ces neutrons est l'utilisation d'un double véto actif : les neutrons vont être détectés avant (ou après) avoir produit une interaction parasite dans le détecteur. Pour ce faire, le système de détection forme une véritable poupée russe gigantesque : la chambre contenant l'argon est placée au centre d'une citerne contenant un scintillateur liquide à base de bore, où les neutrons radiogéniques interagissent avec le bore, ce qui produit secondairement de la lumière qui est détectée. Ainsi, si un signal typique de WIMP est enregistré en même temps (ou presque) qu'un signal dans le scintillateur boré, alors il ne sera pas enregistré.

Schéma des vétos actifs anti-neutrons de DS 50.

Second véto actif, troisième niveau de notre poupée russe : le détecteur de neutrons qui contient la TPC est lui-même plongé dans une autre grosse citerne de 11 m de diamètre, qui, elle, contient juste de l'eau, et des détecteurs de lumière bien sûr. Le but de cette citerne, outre que l'eau arrête très bien les neutrons, est de détecter le passage de muons cosmiques, qui pourraient aller produire des neutrons (cosmogéniques) dans le détecteur. Les muons en passant dans l'eau vont produire de la lumière par effet Cherenkov. Là encore, si un signal lumineux est observé dans la citerne d'eau en même temps qu'un signal type WIMP dans la chambre TPC à Argon, alors ce dernier ne sera pas comptabilisé...

Les manips concurrentes utilisent dans de nombreux cas des vétos actifs, notamment pour la détection du passage de muons, mais jamais aussi élaborés et pouvant véritablement évaluer précisément le bruit de fond des neutrons.

Mais Dark Side propose de pousser même un peu plus loin l'innovation dans la sélection des matériaux utilisés pour la construction du détecteur, les matériaux devant bien sûr être le plus radiochimiquement pur. Les physiciens américains de la collaboration ont proposé d'utiliser de l'argon souterrain au lieu d'argon atmosphérique. Effectivement, il existe des sources d'argon en sous-sol, notamment aux Etats-Unis. La différence est que dans l'atmosphère, il existe un isotope de l'argon, l'argon-39, qui est radioactif, naturellement produit par bombardement de neutrons dans la haute atmosphère. L'argon existant en profondeur, lui, est exempt de cet isotope gênant. Enfin, surtout gênant pour les puristes des astroparticules, parce que la radioactivité générée par l'argon-39 est de 1 becquerel par kilogramme, ce qui est absolument dérisoire à notre échelle... Mais cela permettra à la manip d'être parfaite jusque dans son cœur de poupée russe.

Le début d'opération de Dark Side 50 a eu lieu début 2013. La sensibilité attendue de cette belle expérience est de l'ordre de 2.10-45 cm² pour des WIMPs de 100 GeV en 3 ans de comptage, ce qui serait bien meilleur que ce qu'ont pu atteindre de nombreuses expériences concurrentes...

En savoir plus :

Site de la collaboration Dark Side :http://darkside.lngs.infn.it/

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