Les derniers résultats de la collaboration LUX qui cherche à détecter la matière noire de façon directe (sous forme de particules massives interagissant faiblement, des WIMPs) dans le laboratoire souterrain de Sanford aux Etats-Unis, viennent d’être rendus publics lors de la conférence scientifique IDM2016. Le record de sensibilité pour de telles expériences est explosé, mais aucune WIMP n’est détectée.
Les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, particules massives interagissant faiblement) qui pourraient former la matière noire, doivent produire de très rares collisions avec les noyaux d’atome (dans un détecteur par exemple) et montrer une variation périodique de l’intensité de ces collisions au cours d’une année, avec un maximum en été et un minimum en hiver, à cause de la rotation de la Terre autour du Soleil.
Le détecteur de XENON100 avec l'équipe de
l'Université de Zürich participant à la collaboration
XENON100(Universität Zürich )
L’expérience italienneDAMA/LIBRAobserve avec son gros détecteur scintillateur, depuis des années, un signal, avec exactement cette modulation. Alors qu’ils clament mesurer desWIMPsdepuis le début des années 2000, toutes les autres expériences de recherche directes fondées sur la mesure de collisions sur des noyaux d’atomes, avec des technologies différentes et toutes bien plus sensibles que DAMA, n’ont pourtant jamais rien vu de tel, excluant de fait les résultats de DAMA et leur jetant un certain discrédit suite à leur entêtement et à leur certaine opacité. Oui mais.
Oui, mais il n’y a pas que des noyaux atomiques dans un détecteur, que ce soit un scintillateur organique, un gaz liquéfié ou un semi-conducteur, il y a aussi des électrons, et beaucoup. Or le signal de DAMA peut aussi être interprété comme des interactions de WIMPs sur les électrons au lieu des noyaux… Et ça, les collisions élastiques ou inélastiques sur les électrons, les autres manips de recherche directe ne s’y intéressent pas, soit qu’elles ne peuvent pas y accéder pour des raisons technologiques (nécessité d’un seuil de détection très bas entre autres), soit que la structure électronique des atomes en jeu ne s’y prête pas. Oui, mais…
Oui, mais non loin du détecteur de DAMA/LIBRA dans le laboratoire du Gran Sasso, il y a celui de XENON100, qui cherche des WIMPs avec du xénon liquide, en cherchant des collisions sur les noyaux de xénon. Et le xénon possède exactement la même structure de couches électroniques que l’iode, qui serait l’élément prépondérant du détecteur en iodure de sodium de DAMA/LIBRA pour ce qui est des interactions WIMP/électron. Et XENON100 est une expérience très sensible, avec un bruit de fond (un signal parasite) bien maitrisé et très bas, bien meilleur que celui de DAMA. C’était trop tentant pour les physiciens américano-européens de XENON100 de ne pas regarder ce que cela donnerait si on analysait les mesures à l'aune des interactions WIMPs-électrons au lieu de celles sur les noyaux.
La collaboration XENON100 publie ainsi aujourd’hui dans la revue Science les résultats qu’elle a obtenus en analysant les données prises durant un peu plus de 220 jours entre le printemps 2011 et le printemps 2012, couvrant donc une période entière de modulation du signal (le maximum d’intensité théorique a lieu le 2 juin, le minimum ayant lieu le 2 décembre), en se focalisant autour de la période du maximum. Les physiciens de XENON100 obtiennent alors un certain signal, qu’ils doivent comparer avec ce que trouvent leurs concurrents de DAMA. Pour cela, ils convertissent le signal de DAMA en ce qu’il donnerait dans le détecteur de XENON100 s’il s’agissait d’un certain type de WIMP, puis comparent les deux.
Signal mesuré par DAMA/LIBRA (en rouge) et celui de XENON100 (en bleu)
durant la même période (XENON100 collaboration)
La collaboration XENON n’y est pas allée de main morte sur cette étude, puisqu’ils ont évalué le signal d’interaction WIMP-électron pour trois différents modèles de WIMPs, dont notamment ceux qui auraient pu expliquer plus facilement le signal de DAMA : la WIMP « standard », la WIMP de type « électron miroir » et la WIMP de type « matière noire lumineuse » (une particule massive qui a la particularité d’émettre un photon gamma en se désexcitant lors de son interaction avec la matière, et pour laquelle serait détectée l’interaction du photon gamma de désexcitation plutôt que celle de la particule massive).
Bref, vous l’aurez peut-être compris, les comparaisons de XENON100 pour chacun de ces trois modèles indiquent une très nette incompatibilité avec les données de DAMA.
La conclusion de cette étude est que des interactions de matière noire sur les électrons sont fortement exclues comme explication au signal modulé mesuré par DAMA/LIBRA. Il va donc encore falloir chercher l’explication ailleurs… ou bien les physiciens de DAMA/LIBRA acceptent enfin de fournir les détails sur leurs bruits de fond à basse énergie, mais ça c’est une autre paire de manches…
Source :
Exclusion of leptophilic dark matter models using XENON100 electronic recoil data
The XENON Collaboration
Science Vol. 349 no. 6250 pp. 851-854 (21 August 2015)
L'autre façon de détecter la présence de matière noire sous forme de WIMPs (weakly interacting massive particles), concurrente et complémentaire de la méthode directe (par des détecteurs sous-terrains et le LHC), c'est de chercher des signes d'annihilation de ces particules, qui prennent la forme de rayons gamma en provenance de notre galaxie ou des autres. Le télescope spatial Fermi-LAT est justement spécialisé dans la détection de rayons gamma très énergétiques et permet ce type de recherche. La collaboration qui l'exploite vient tout juste de publier ses tout nouveaux résultats...
vue d'artiste du satellite Fermi-LAT (Fermi collaboration)
Ces nouveaux résultats d'observation publiés sur le site de preprints Arxiv dans un article très technique de 43 pageset destiné à être soumis au Journal of Cosmology and Astropaticle Physics concernent la recherche de rayons gamma ayant une énergie particulière au sein de ce qu'on appelle le fond gamma isotrope (isotropic gamma-ray background, IGRB). Ce fond gamma diffus provient non pas de notre galaxie, mais du milieu intergalactique, des autres galaxies. C'est le rayonnement gamma qui reste une fois que l'on a soustrait les rayons gamma des sources individuelles bien identifiées. Il a été découvert en 1978 grâce au satellite SAS-2 puis confirmé 20 ans plus tard par le satellite EGRET.
Les données consistent en l'accumulation de 50 mois de données d'observations du télescope Fermi-LAT (Large Area Telescope) de photons gamma à partir de 20 MeV et montant jusqu'à une énergie de 820 GeV. La collaboration du même nom, Fermi-LAT, a ainsi pu montrer l'absence de signe d'un signal provenant d'annihilations de WIMPs dans ce fond gamma isotrope. L'annihilation des WIMPs est étudiée ici non par par la production directe de photons gamma dans l'annihilation des neutralinos entre eux (qui seraient leur propre antiparticule), mais via la production au cours de cette annihilation de couples de particules/antiparticules, qui vont ensuite produire des rayons gamma. On est là vraiment dans la détection indirecte. Les "canaux" d'annihilation, comme les appellent les physiciens des particules sont les canaux b/anti-b et tau+/tau-.
Principe de fonctionnement du LAT (CENBG/IN2P3)
Mais bien sûr, ce résultat négatif est très intéressant, car il permet de fixer des contraintes supplémentaires sur les caractéristiques de ces hypothétiques WIMPs, notamment dans ce signal particulier du fond gamma provenant de toutes les directions du ciel. Comme le signal potentiellement attendu (et non vu) dépend à la fois du comportement cosmologique de la matière noire (comment elle se regroupe), et des caractéristiques propres de la particule WIMP, l'information, aussi bien positive que négative est très riche. Elle est ici négative et permet donc de fixer des limites fortes dans les modèles de matière noire.
Les limites que les physiciens des astroparticules parviennent ainsi à fixer s'appliquent pour des masses de WIMPs s'étendant de quelques GeV jusqu'à plusieurs dizaines de TeV et sont les meilleures limites obtenues à ce jour pour ces niveaux d'énergie de l'ordre du TeV. De plus, l'équipe internationale a pu quantifier en détail les incertitudes associées à ce type de signal, ce qui est une avancée majeure. A une masse de WIMP de 10 GeV, la limite de la section efficace d'annihilation trouvée grâce à ces nouvelles observations atteint celle qui correspond au modèle de WIMP si elle est une relique thermique, ce qui est le modèle le plus couramment admis. Pour finir leur article, les physiciens de Fermi-LAT mettent en garde sur l'extrême complexité de ces mesures et des conclusions que l'on en tire. Ils listent l'étendue des incertitudes en jeu, qui sont classées en trois familles :
la prédiction théorique de l'intensité du signal d'annihilation attendu, qui dépend à la fois du modèle d'accumulation de matière noire (avec un facteur 20 d'incertitude) et aussi du nombre de sous-structures existant dans les galaxies (facteur 3 d'incertitude);
la modélisation de la contribution des sources gamma extragalactiques non-résolues dans le signal d'IGRB, qui peut atteindre un écart d'un facteur 3 à 26 selon la masse de WIMP considérée;
la modélisation de l'émission diffuse galactique, qui peut induire des variations d'un facteur 3 sur les limites dérivées.
Fermi-LAT ne voit donc pas de traces de WIMPs dans le fond gamma isotrope, et permet de déterminer de nouvelles limites contraignantes à partir de ces mesures, mais les incertitudes sont multiples et importantes, ce qui fait dire aux physiciens de la collaboration Fermi-LAT que cette source de rayonnements gamma (l'IGRB, le fond gamma isotrope) ne devrait pas être utilisée seule pour chercher un signal de WIMPs. En complément d'autres types mesures et pour contraindre les modèles, elle s'avère en revanche fort utile, mais il faudra attendre de beaucoup mieux connaître certaines caractéristiques de notre Galaxie et des sources gamma "classiques" pour réduire drastiquement les incertitudes et pouvoir utiliser l'IGRB dans une recherche d’événements gamma en excès, signant sans coup férir la présence d'annihilations de WIMPs. Source :
Limits on Dark Matter Annihilation Signals from the Fermi LAT 4-year Measurement of the Isotropic Gamma-Ray Background The Fermi LAT Collaboration, Soumis à Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (22 January 2015)
2015 verra la mise en route de deux machines exceptionnelles, qui pourraient peut-être enfin mettre en évidence le candidat préféré des physiciens pour jouer le rôle de la matière noire : la particule supersymétrique la plus légère, la WIMP (weakly interacting massive particle), aussi appelée le neutralino.
Le détecteur CMS du LHC (CERN)
L'une des deux machines est bien connue, il s'agit du LHC (Large Hadron Collider), le grand accélérateur-collisionneur de protons du CERN. Le LHC est arrêté depuis 2013, depuis sa très belle découverte-production du boson de Higgs. Il n'a pas été arrêté pour cause de panne, mais pour être mis à niveau, amélioré significativement. Sa remise en route est prévue pour dans quelques semaines, il bénéficiera alors d'une intensité de faisceau bien supérieure à celle de 2013, et surtout d'une énergie presque doublée. Alors que les protons se collisionnaient au maximum à 8 TeV en 2013, l'énergie montera jusqu'à 13 TeV à partir de cette année.
Avec tout ce surplus d'énergie et d'intensité, le LHC avec ses différents énormes détecteurs, notamment ATLAS et CMS, ceux-là même qui ont permis la découverte du boson de Higgs, devrait permettre de produire et détecter indirectement des particules dites supersymétriques, des sortes de particules-miroir des particules que nous connaissons.
Schéma du l'installation de XENON1T dans le hall B
du Laboratoire du Gran Sasso (XENON collaboration)
La théorie de la supersymétrie a été imaginée il y a déjà plus de 40 ans. Si on n'a encore jamais vu de particules supersymétriques, c'est peut-être parce que leur masse est très importante, qu'elles sont instables, qu'elles interagissent très faiblement avec la matière qui nous est ordinaire, ou bien... qu'elles n'existent en fait pas. D'après la théorie, il peut exister une seule particule supersymétrique qui serait stable, ne se désintégrant pas, et de fait la plus légère d'entre toutes les particules supersymétriques, la seule qui pourrait persister depuis le début de l'histoire de l'univers. Elle est appelée le neutralino. On ne sait pas quelle masse elle devrait avoir, le plus probable est qu'elle se situe entre 1 GeV et 1000 GeV, c'est à dire une masse comprise entre celle d'un proton et de 1000 protons.
Le LHC peut en théorie produire des neutralinos (s'ils existent), via la création de nombreuses particules dans ses collisions protons-protons à très haute énergie. Il faut avant tout produire le maximum de réactions entre particules et avec la plus grande énergie possible pour avoir un espoir de "voir" apparaître des particules supersymétriques, que ce soit la plus légère, le neutralino, ou d'autres un peu plus lourdes et instables. Ce ne sera pas une détection directe de ladite particule, mais une observation de désintégrations un peu bizarres de particules plus classiques, qui ne pourront s'expliquer que par la présence fantôme de ce type de particules supersymétriques dans l'inventaire des particules ayant été produites dans le collisionneur. Ce point de fonctionnement du LHC est en fait le fonctionnement nominal pour lequel le collisionneur a été conçu, la découverte du boson de Higgs n'a ainsi été faite que dans un mode restreint de cette incroyable machine...
Elena Aprile, porte-parole de la collaboration XENON posant
à l'intérieur du réservoir à eau entourant le cryostat
du détecteur XENON1T (XENON collaboration)
La seconde expérience exceptionnelle, capable en théorie de mettre en évidence des WIMPs, devrait entrer en fonction dans le courant de l'été, c'est l'expérience XENON1T, installée au laboratoire souterrain du Gran Sasso, en Italie. XENON1T est l'évolution des expériences XENON10 de 2010 puis XENON100 en 2012 et est conçue et exploitée par une collaboration internationale d'une centaine de chercheurs, dont des physiciens français. Il s'agit d'un gigantesque détecteur de WIMPs contenant plusieurs tonnes de xénon liquide/gazeux. XENON1T est un détecteur de type chambre à projection temporelle, qui doit détecter directement les collisions de WIMPs provenant de toutes les directions, avec les noyaux atomiques de xénon. Chaque collision de WIMP produit à la fois un signal de luminescence et un signal d'ionisation dans les 3,5 tonnes de xénon utilisées. C'est exactement la même technologie que celle déployée par l'expérience américaine LUX qui a beaucoup fait parler d'elle fin 2013 car étant la plus sensible au monde dans ce type de détection directe et n'ayant rien détecté. Mais XENON1T aura une sensibilité 50 fois plus grande que celle de LUX...
Beaucoup d'espoirs sont mis sur ces deux expériences très différentes pour 2015 et 2016, même si la chasse aux WIMPs continue aussi sur d'autres terrains, notamment par l'observation de signes astrophysiques indirects de la présence de ces particules, sous forme de rayons gamma particuliers et inexpliqués par ailleurs.
Rendez vous fin 2015 pour une synthèse des premiers résultats ?
Le laboratoire souterrain le plus
profond du monde, dédié à la recherche en physique des astroparticules est un
laboratoire chinois, le China Jinping
Underground Laboratory (CJPL). Il est non seulement le plus profond, mais
il va devenir dans très peu de temps le deuxième plus vaste. Des expériences vont
pouvoir y accueillir des détecteurs gigantesques pour la recherche de la
matière noire (entre autres).
Vue schématique de l'environnement du
laboratoire souterrain de Jinping
(J.Phys.Conf.Ser. 375 (2012) 042061, Yue Qian et al.)
C’est en début d’année 2015 que
les ouvriers chinois vont commencer à creuser quatre nouvelles cavernes pour
agrandir les halls déjà existants au CJPL, enfouis sous une montagne de 2400 m, dans la province du Sichuan, et qui a été inauguré il y a seulement quatre ans. Cette profondeur est sans égal dans le monde, équivaut à 7500 m d'eau.
Le futur grand laboratoire
souterrain chinois aura alors un volume de 120 000 mètres cubes, à peine plus petit que
le plus grand laboratoire souterrain, celui du Gran Sasso en Italie (le LNGS), qui offre 180 000 m3 d’aires
expérimentales sous 1400 m de roche aux chercheurs du monde entier. Mais le
CJPL est bien plus profond que le LNGS, ce qui lui donne un atout certain.
Rappelons que de nombreuses
expériences de physique des astroparticules ont besoin de travailler en très
grande profondeur de manière à se protéger drastiquement du moindre rayon
cosmique parasite, comme des muons qui parviennent à traverser de grandes
épaisseurs de roche. Le plus on aura d’épaisseur de montagne au-dessus de nos
têtes, le mieux ce sera pour les expériences de détection de matière noire ou
de recherche sur les neutrinos notamment.
L’aventure souterraine chinoise est allée très vite, comme souvent en Chine. C’est par hasard à l’été 2008 que le physicien Quian Yue, de l’université de Tsinghua à Pékin vit à la télévision un reportage sur le creusement de tunnels d’accès à travers la montagne du Jinping pour la construction d’un complexe hydroélectrique géant.Il eut alors l’idée brillante de profiter de ces grands travaux pour demander (via son université) à la Yalong River Hydropower Development Ltd. de creuser en plus deux cavernes au milieu de la montagne, le long d’un des deux tunnels prévus, de manière à créer deux halls d’un total de 4000 m3, ce qui fut fait très vite...
Flux de muons cosmiques dans les différents laboratoires souterrains. Ce flux est 500 fois plus faible
au JinPing par rapport au Gran Sasso.
Dès la mise en route de ce tout
nouveau laboratoire souterrain, certes petit à l’époque, deux expériences de
recherche de matière noire y furent installées. La première s’appelle PandaX (Particle and Astrophysical Xenon), elle
exploite un détecteur à xénon liquide de 37 kg, à la manière de ces concurrents
américains LUX ou européens XENON100, pour détecter des collisions directes de particules
de matière noire, des WIMPs. Le second hall expérimental, lui, abrite une autre
expérience de recherche directe de WIMPs, fondée sur la technologie développée
par les américains de CDMS et les européens de EDELWEISS : des détecteurs
cryogéniques au germanium. Elle s’appelle tout simplement CDEX (China Dark Matter EXperiment).
Ces deux technologies sont
complémentaires l’une de l’autre car assez différentes tout en cherchant la
même chose. Ce sont d’ailleurs les deux seules technologies de recherche
directe de WIMPs qui ont obtenues un financement pour poursuivre leur quête aux
Etats-Unis.
Les premiers résultats obtenus
par les chinois sont encourageants vu leurs détecteurs et leur configuration,
mais pour améliorer leurs résultats, ils ont besoin désormais de beaucoup plus
de volume : des détecteurs plus gros ou en plus grand nombre, des
blindages contre la radioactivité naturelle plus gros aussi. C’est entre autres
pour ces raisons qu’un agrandissement est devenu nécessaire. A partir de la
preuve qu’ils pouvaient obtenir de belles mesures, les physiciens chinois ont
réussi à convaincre leur gouvernement de transformer le CJPL en multipliant par
30 son volume, passant de 4000 m3 à 120 000 m3 ! Car tant qu’à agrandir,
autant faire du CJPL une destination de rêve pour les physiciens des
astroparticules du monde entier. Quatre nouveaux halls vont ainsi être
creusés : chacun aura une longueur de 130 m, pour une largeur et une
hauteur de 13 m, le tout pour la modique somme de 50 millions de dollars grâce
aux travaux préexistants.
Le détecteur PandaX en cours d'installation
(MENGJIAO XIAO/SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY)
L’exploitation scientifique de
ces nouveaux espaces pourrait débuter au début 2016. L’expérience CDEX pense
déjà multiplier par 10 la masse de ses détecteurs germanium en y ajoutant des
blindages bien plus élaborés que ceux utilisés aujourd’hui, quant à PandaX, ils
veulent tout simplement construire le détecteur ultime, encore plus gros que ce
qu’avaient pu imaginer les physiciens américains ou européens : un
détecteur au xénon liquide de 20 tonnes. Les Chinois pensent tout de même que
cette expérience devra se construire par une collaboration internationale.
Mais il n’y a pas que la physique
des astroparticules qui s’intéresse de près à la possibilité de pouvoir
travailler en très grande profondeur avec de l’espace : il y a aussi
l’astrophysique nucléaire. De même que le laboratoire du Gran Sasso abrite un
petit accélérateur de particules qui permet d’étudier finement les réactions
nucléaires qui se produisent au cœur des étoiles et dans l’univers primordial
(l’expérience LUNA), qui a besoin du bruit de fond radioactif le plus bas
possible, le CJPL aura lui aussi son accélérateur de particule pour effectuer
ces mêmes études. L’expérience chinoise aura d’ailleurs un nom très
proche : JUNA (Jinping Underground
laboratory for Nuclear Astrophysics). Ne me faites pas dire que les chinois
manquent d’imagination pour trouver des noms de manips, hein… PandaX, c’était
quand même sympa, non ? J’allais presque oublier : bien sûr,
l’accélérateur de JUNA sera plus performant que celui de LUNA, en plus d’être bien plus plus profond…
Pour résumer, les Chinois vont
très vite, voient très loin, et ont vraiment l’avenir entre leurs mains.
Dommage qu’ils ne connaissent pas la démocratie.
Source :
China Supersizes its underground Physics Lab
Science Vol. 346 no. 6213 pp. 1041 (28 November 2014)
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
Prenez des physiciens français du CEA et du CNRS, des allemands du Karlsruhe Institute of Technology et de plusieurs universités , des anglais des universités d'Oxford et de Sheffield, des espagnols, des russes, des slovaques, prenez les meilleurs spécialistes de la détection directe de matière noire, issus de trois grandes expériences européennes jusqu’alors concurrentes comme EDELWEISS, CRESST et ROSEBUD, mélangez le tout soigneusement et vous obtiendrez la future grande expérience européenne de recherche de matière noire directe, celle qui va enfin porter de l’ombre aux américains arrogants de LUX et SuperCDMS.
Schéma du design de l'expérience EURECA pour la recherche
directe de matière noire (collaboration EURECA)
Cette nouvelle collaboration très européenne s’appelle EURECA, et c’est tout ce qu’on leur souhaite, qu’ils trouvent enfin ces WIMPs. Le concept du design de la nouvelle manip vient d’être publié dans Physics of The Dark Universe, ce qui signifie la concrétisation de cette nouvelle collaboration scientifique à l'échelle du continent, et on peut dire que l’ambition est au rendez-vous.
L’objectif de EURECA est d’exploiter un multidétecteur cryogénique de 1 tonne. Mais pas n’importe quel multidétecteur, les différentes expériences préexistantes vont mettre en commun toutes leurs technologies développées jusque là chacune dans son coin. Et le futur détecteur sera ainsi à l’image des membres de la nouvelle collaboration : il sera composite, comportant à la fois des bolomètres semiconducteurs de germanium, ceux développés par les français de EDELWEISS, et des scintillateurs bolométriques de tungstate de calcium, ceux développés par les allemands de CRESST, avec la grande expertise des anglais de ROSEBUD.
Le détecteur FID800 de EDELWEISS (in2p3/CSNSM)
Le déploiement de EURECA devrait se faire en deux phases, une première phase rassemblant 150 kg de détecteurs, pour une durée de 1 an, puis la seconde phase arrivant avec l’ajout de 850 kg de détecteurs supplémentaires, pour une durée minimale de 3 ans. Car le système envisagé est très polyvalent et très modulaire. Ce qu’on appelle le ‘détecteur’ est en fait composé d’une multitude de petits détecteurs dont le signal mesuré est mis en commun pour en former un gros.
Les physiciens européens vont reprendre le concept développé aux Etats-unis pour le blindage indispensable devant entourer les détecteurs pour absorber tous les rayonnements parasites autres que ceux recherchés : une énorme cuve remplie d’eau ultra-pure servira ainsi de réceptacle aux précieux détecteurs cryogéniques. Pas moins de 3 m d’eau seront ainsi intercalés dans toutes les directions entre les détecteurs et l’extérieur, où pullulent encore quelques photons gamma, quelques neutrons et quelques muons malgré la profondeur du laboratoire souterrain…
Les photons seront absorbés par les 3 mètres d’eau, les neutrons seront ralentis puis finalement absorbés par l’hydrogène de l’eau, et enfin, les muons seront repérés par la lumière Cherenkov qu’ils laisseront dans ces gros réservoirs munis de nombreux photomultiplicateurs pour enregistrer le moindre photon de lumière.
Tours de détecteurs cryogéniques de CRESST
(Technische Universität München)
Le point commun des deux types de détecteurs prévus, semiconducteurs et scintillateurs est qu’ils fonctionnent à des températures cryogéniques. Ce sont des bolomètres. Certes améliorés, mais leur signal principal est l’élévation de température produite par l’interaction (rare !) d’une WIMP. A ce signal de chaleur s’ajoute un signal d’ionisation pour le germanium et un signal lumineux pour le tungstate de calcium. Ils seront refroidis à des températures extrêmes, de l'ordre de 10 millièmes de kelvins (10 millièmes de dégrés au dessus du zéro absolu), grâce à un cryostat à dilution (utilisant un mélange de deux isotopes de l'hélium (He-3 et He-4) faisant un volume de 6 mètres cubes...
Au fait, EURECA est un acronyme, comme vous avez pu l'imaginer, il signifie : European Underground Rare Event Calorimeter Array. Les physiciens ont une préférence pour s'implanter dans un laboratoire souterrain européen, le laboratoire souterrain de Modane en particulier, qui devrait être agrandi et offrir ainsi toute la place nécessaire, et qui est non seulement le laboratoire souterrain le plus profond d'Europe mais aussi le terrain de jeu actuel des français de EDELWEISS. Mais les physiciens ont tout prévu dans leur design, les dimensions et les équipements nécessaires prévus ont été choisi pour pouvoir être adaptables à n'importe quel laboratoire souterrain, comme par exemple le canadien SNOLAB, qui offre une profondeur encore plus importante.
Parlons performances maintenant. Bien évidemment, les physiciens, avec un design d'expérience sur le papier, parviennent à prédire ce qu'ils pourront obtenir en termes de sensibilité. Le critère important est la valeur de la section efficace WIMP-nucléon potentiellement atteignable. On se rappelle qu'en 2013, l'expérience américaine LUX avait explosé tous les records en descendant jusqu'à une section efficace de 10-45 cm², soit 10-9 picobarns. Et bien, EURECA dans sa version complète 1 T, prévoit d'atteindre une section efficace encore 50 fois plus faible : 2.10-11picobarns... Pas chiens, les européens proposent en outre de prêter leur futur cryostat à toutes les manips exploitant des détecteurs ayant besoin de tels refroidissements extrêmes dans un tel environnement à ultra-basse radioactivité.
La concrétisation du projet EURECA est en tous cas une très bonne nouvelle pour la recherche européenne en physique des astroparticules. Maintenant que les européens se mettent à travailler ensemble, les américains et les WIMPs ont du soucis à se faire... Source : EURECA Conceptual Design Report The EURECA Collaboration G. Angloher, E. Armengaud, C. Augier, A. Benoit, T. Bergmann, J. Blumer, A. Broniatowski, V. Brudanin, P. Camus, A. Cazes, M.Chapellier, N. Coron, G.A. Cox, C. Cuesta, F.A. Danevich, M. DeJesus, L. Dumoulin, K. Eitel, A. Erb, A. Ertl, F. von Feilitzsch, D. Filosofov, N. Fourches, E. Garcia, J. Gascon, G. Gerbier, C. Ginestra, J. Gironnet, A. Giuliani, M. Gros, A. G¬ utlein, D. Hauff, S. Henry, G. Heuermann, J. Jochum, S. Jokisch, A. Juillard, C. Kister, M. Kleifges, H. Kluck, E.V. Korolkova, V.Y. Kozlov, H. Kraus, V.A. Kudryavtsev, J.-C. Lanfranchi, P. Loaiza, J. Loebell, I. Machulin, S. Marnieros, M.Martõnez, A. Menshikov, A. Munster, X.-F. Navick, C. Nones, Y. Ortigoza, P. Pari, F. Petricca, W. Potzel, P.P. Povinec, F. Probst, J.Puimedon, F. Reindl, M. Robinson, T. Rolon, S. Roth, K. Rottler, S. Rozov, C.Sailer, A. Salinas, V. Sanglard, M.L. Sarsa, K. Schaffner, B. Schmidt, S. Scholl, S. Sch¬ onert, W. Seidel, B. Siebenborn, M. Sivers, C. Strandhagen, R. Strauss, A. Tanzke, V.I. Tretyak, M. Turad, A. Ulrich, I. Usherov, P. Veber, M. Velazquez, J.A. Villar, O.Viraphong, R.J. Walker, S. Wawoczny, M. Weber, M. Willers, M. Wustrich, E. Yakushev, X. Zhang, A. Zoller A paraître dans Physics of the Dark Universe
L'histoire des sciences, ou au moins l'histoire de la physique des astroparticules, retiendra que c'est le 28 février 2014 que l'hypothèse des WIMPs de faible masse pour expliquer la matière noire est morte. C'est en effet il y a trois jours, ce 28 février, au cours de la conférence Dark Matter 2014 qui se tenait à UCLA en Californie que Lauren Hsu de la collaboration américaine SuperCDMS, a dévoilé les nouveaux résultats de cette expérience de recherche directe de WIMPs.
La collaboration SuperCDMS exploite des détecteurs cryogéniques de germanium permettant de détecter les éventuels collisions de WIMPs avec les noyaux de germanium. Les résultats obtenus par les américains (et quelques collègues anglais et français) sont tout à fait inédits, car ils permettent d'explorer une zone de l'espace [masse-section efficace] encore inexploré par les nombreuses expériences cherchant la même chose et s'avère être très exclusifs...
Mais il faut revenir un instant sur ce que c'est que cet espace que j'appelle l'espace [masse-section efficace]. La recherche d'événements produisant un signal dans les détecteurs, permettent de déduire deux paramètres clés concernant les particules impactantes : leur masse (grâce à l'énergie qui est déposée dans le détecteur) et leur probabilité d'interaction avec le matériau détecteur, ce qu'on appelle la section efficace d'interaction, et qui est déduite du nombre d'interactions observées en fonction de la masse du détecteur et du temps que l'on a utilisé pour compter ces événements d'interaction.
Lorsqu'on ne détecte aucune collision de WIMP dans un détecteur, on peut construire ce qu'on appelle un "plot d'exclusion". Ce "plot d'exclusion", comme son nom l'indique, trace une zone exclue dans le graphe ayant pour abscisses la masse de WIMPs et en ordonnée la section efficace. En effet, quand on ne détecte rien, cela veut dire que la WIMP (qu'on n'a pas vue) doit donc avoir une probabilité d'interagir, pour une masse donnée, plus faible que celle qui aurait fait qu'on aurait vu du signal avec le détecteur utilisé et le temps de comptage appliqué.
On a donc une courbe dans le plot masse-section efficace, la zone exclue se trouvant au dessus, et la zone encore potentiellement intéressante et à explorer se situant en-dessous. On parle de courbe d'exclusion.
Le plot d'exclusion montré par Lauren Hsu lors de la conférence Dark Matter 2014 (SuperCDMS Collaboration)
L'expérience la plus performante est bien sûr celle qui parvient à exclure la plus grande zone de l'espace [masse-section efficace], jusqu'à trouver un signal...
Et justement, quand des événements apparaissent dans les signaux détectés, avec toutes les caractéristiques de WIMPs, comme ce fut le cas pour différentes expériences ces quelques dernières années, et bien la courbe d'exclusion devient une inclusion, elle se referme sur elle-même pour montrer une "zone" dans le plot bi-paramétrique, avec des frontières à la fois vers le bas et le haut, à droite et à gauche. Les WIMPs potentiellement détectés se retrouvent avec une certaine plage de masses possibles associée à une certaine plage de sections-efficaces.
Les différentes expériences de recherche directe de matière noire donnent toutes leurs résultats sous forme de plots d'exclusion (ou zones d'inclusion). Qui plus est, la plupart ont pris l'habitude au cours des ans de fournir non seulement leur propre courbe d'exclusion dans le plot [masse-section efficace], mais aussi de superposer les courbes d'exclusion des autres expériences concurrentes, histoire de comparer les performances des uns et des autres...
L'expérience LUX, très performante, a produit en 2013 un grand saut dans le domaine, nous en avons parlé abondamment ici. Leur courbe d'exclusion est descendu très bas (dans l'axe des sections efficaces), beaucoup plus bas que toutes les autres expériences semblables, excluant de fait une vase zone de l'espace (masse-section efficace), et excluant du coup des résultats positifs d'autres expériences (des zones).
La collaboration SuperCDMS (CDMS collaboration, University of Berkeley)
Ce que vient de montrer l'expérience SuperCDMS il y a trois jours est une nouvelle courbe d'exclusion. Certes, elle ne descend pas aussi bas que celle de LUX, loin s'en faut. Mais elle est la deuxième plus basse et elle est surtout meilleure que celle de LUX dans un autre sens : celui de l'axe des abscisses, vers la gauche, les basses masses de WIMPs! SuperCDMS vient confirmer les résultats de LUX de l'année dernière, avec une technologie très différente.
Aucune expérience avant SuperCDMS n'a été capable de montrer une telle courbe d'exclusion descendant aussi bas en termes de masses de WIMP pour des sections efficaces aussi faibles Et cette nouvelle courbe exclut de fait définitivement toutes les zones déterminées depuis quelques années par les expériences DAMA, CRESST, COGeNT, et ... CDMS II-Si. Plusieurs de ces zones avaient semé le trouble car étant très proches dans le plot, se chevauchant mêmes pour deux d'entre elles (CoGENT et CDMS II-Si), ce qui avait donné des espoirs fous aux physiciens concernés.
Il est également notable qu'une partie des physiciens de SuperCDMS sont les mêmes qui ont produits les résultats de CDMS-Si, ce qui signifie qu'ils viennent simplement d'exclure leurs propres résultats antérieurs, reconnaissant en quelque sorte leur erreur.
Un des détecteurs composant l'expérience SuperCDMS (CDMS coll.)
Là où pouvait persister un doute sur l'exclusion de COGeNT et CDMS-Si annoncée par LUX, c'est dans le fait que les détecteurs étaient très différents (semi conducteurs germanium et silicium pour les deux premiers et xénon liquide pour le dernier), mais il se trouve que là, SuperCDMS utilise exactement le même type de matériau que COGeNT et CDMS-Si...
On peut dire aujourd'hui que l'hypothèse, née il y a environ quatre ans, d'être en présence de WIMPs de relativement faible masse (de l'ordre de 10 GeV) a maintenant beaucoup beaucoup de plomb dans l'aile, pour ne pas dire qu'elle devrait être définitivement abandonnée. Il reste maintenant à essayer de comprendre d'où vient ce signal détecté qui ressemble tellement à des reculs de noyaux atomiques impactés par des WIMPs, ainsi que cette modulation de l'intensité du signal au cours de l'année, telle qu'elle a pu être observée.
On doit pouvoir affirmer que les résultats exclusifs combinés de LUX de l'année dernière avec ceux de SuperCDMS aujourd'hui font en général des WIMPs une solution pour la matière noire de moins en moins convaincante...
Si vous me suivez régulièrement, vous le savez : le mystère de la matière noire est pour moi quelque chose de très important, probablement parmi les points les plus cruciaux que selon moi nous devons comprendre au plus vite, tout juste avant les deux autres entités noires de l'Univers, les trous et l'énergie...
Il n'est qu'à voir le nombre de billets que j'ai consacré à divers aspects de la matière noire, et notamment à sa détection de manière directe, telle qu'elle se développe depuis de trop longues années à travers le monde.
Ce qui participe grandement à cet engouement, il faut le dire, c'est probablement le fait que des signes potentiels d'interactions de particules de matière noire (des WIMPs) ont été observés ces quatre dernières années, et ce par différentes équipes de chercheurs dans différentes expériences. On se souvient également l'important résultat négatif de l'année dernière obtenu par l'expérience LUX.
Le détecteur de CoGENT
(Pacific Northwest National Laboratory)
Parmi les expériences qui pensent avoir peut-être détecté des interactions de WIMPs, il y a une expérience américaine qui s'appelle CoGeNT. Les autres, rappelons-le, sont DAMA (Italie), CRESST (Allemagne), et CDMS (Etats-Unis).
Si je parle de CoGeNT aujourd'hui, c'est parce que l'équipe de Juan Collar vient de publier de nouveaux résultats sur le site de préprints Arxiv. Et ces nouveaux résultats sont étonnants! Je le dis tout de suite, ils vont à l'encontre des résultats négatifs de LUX et tout à fait dans le sens de DAMA, CRESST et CDMS...
Les physiciens de CoGeNT avaient fait parler d'eux en 2011 lorsqu'ils annoncèrent avoir observé une modulation annuelle dans leur signal, exactement du même type que celui clamé par DAMA depuis le début des années 2000. La statistique qui était alors la leur n'était pas excellente, par manque de signal. Mais aujourd'hui, dans leur nouvelle publication, Collar et ses collaborateurs montrent à nouveau une très intéressante modulation annuelle avec plus de données accumulées. Le niveau de confiance statistique est de l'ordre de 2,2 sigmas (ce qui signifie qu'il y a 2% de chance pour que ce qu'ils voient soit purement fortuit).
Signal de CoGENT (Aalseth et al.)
Pour bien comprendre, il faut rappeler pourquoi on attend un signal modulé sur une année, montrant un maximum en été et un minimum en hiver. L'hypothèse retenue par tout le monde (ou presque) est que la matière noire forme un halo sphérique dans lequel baigne notre galaxie. Le soleil tourne dans la galaxie, à près de 250 km/s. Ce mouvement produirait ainsi comme une sorte de vent de particules venant de la direction vers laquelle se meut le Soleil. Mais la Terre tourne, elle, autour du soleil en une année (je ne vous apprends rien), ce qui fait que nous allons pendant 6 mois dans le même sens que celui du soleil dans la Galaxie, et durant les six autres mois, dans le sens contraire.
Cela se traduit au niveau des WIMPs, par un "vent" qui a une vitesse qui varie au cours de l'année, et qui passe donc par un maximum et un minimum.
Juan Collar (University of Chicago)
Au niveau des interactions de ces particules, comme leur probabilité d'interagir dépend de leur vitesse par rapport au détecteur (à la Terre), le nombre que l'on détecte dépend lui aussi de la période de l'année.
Que trouve CoGeNT dans son laboratoire souterrain de la mine de Soudan dans le Minnesota avec son détecteur germanium de 100 g ?
Ils ont trié tous les événements apparaissant dans le détecteur semiconducteur, et il y en a beaucoup, surtout des signaux parasite venant de toutes sortes de bruit de fond (radioactivité naturelle, muons cosmiqes,..). La théorie prédit que des WIMPs devraient plutôt interagir statistiquement au centre du détecteur plutôt qu'en surface, et en laissant une énergie très faible, inférieure à 2 keV. C'est donc sur tous les événement ayant ses caractéristiques qu'ils ont regardé l'évolution dans le temps du taux de comptage... et découvert à nouveau cette modulation qu'ils avaient déjà entrevue il y a presque 3 ans.
Et il y a un nouvel élément décrit par Collar et al qui est plus que fascinant (je m'emporte ?) : à partir du taux d'interaction qu'on mesure dans un détecteur, on déduit deux paramètres : la masse de la WIMP et sa probabilité d'interaction (sa section efficace). Jusqu'à présent, les résultats qu'avaient obtenus DAMA et CRESST en termes de masse et de section efficace avec leurs WIMPs étaient incompatibles entre eux et incompatibles avec CoGeNT. "Jusqu'à présent", ai-je dit... Juan Collar fait une nouvelle hypothèse assez simple : si les WIMPs n'étaient pas réparties uniformément dans un halo sphérique, mais au contraire subissaient une sorte de flux dans une direction donnée ? On appelle ça un halo non-maxwellien... Que ce passerait-il au niveau des données analysées par les différentes expériences ?
Vous vous doutez de la réponse ? Les trois expériences se chevauchent presque parfaitement !
Que faire des résultats négatifs de LUX obtenus avec des détecteurs très différents au xénon ? Certains physiciens n'hésitent pas maintenant à remettre en cause la sensibilité annoncée des chambres à projection temporelle au xénon comme celle de LUX. Il pourrait exister un problème de calibrage à basse énergie. Des faibles dépôts d'énergie produiraient moins d'électrons que ce qu'estiment les utilisateurs de détecteurs au xénon (LUX et XENON100 notamment).
Plot comparatif des différentes expériences : section efficace en fonction de la masse de WIMP, avec l'hypothèse d'un halo non-maxwellien (J. Collar et al.)
Comment réconcilier tout ce beau monde ? Juan Collar, toujours lui, a décidé, au vu de ses résultats très intéressants sur le germanium, de reproduire à une plus petite échelle un détecteur comme celui de LUX, pour regarder ce que ça donne avec des très faibles dépôts d'énergie dans le xénon et pour en avoir le cœur net (il utilise des neutrons d'une source radioactive pour mimer les WIMPs).
Le résultat de ce calibrage sera crucial et devrait être publié dans quelques mois...
Concernant cette hypothèse audacieuse de halo non maxwellien qui paraît si puissante à réconcilier toutes les expériences qui semblent voir quelque chose, Juan Collar prédit qu'elle pourrait être testée grâce aux mesures très précises de vitesses d'étoiles proches que va entreprendre très prochainement le satellite Gaïa...
Quelque chose me dit qu'on n'a pas fini d'en reparler (ici ou ailleurs...).
Référence :
Search for An Annual Modulation in Three Years of CoGeNT Dark Matter Detector Data
C.E. Aalseth et al.
Arxiv 1401.3295 (14 janvier 2014) http://arxiv.org/pdf/1401.3295v1.pdf
Source :
CoGeNT gives further backing to annual dark-matter variation
Ce fut sans nul doute l'un des sujets les plus intrigants de 2013 : la détection proclamée de trois WIMPs (particules de matière noire) par l'expérience CDMS-Si au printemps (résultats publiés en décembre 2013), puis l'absence totale de détection par l'expérience LUX - beaucoup plus sensible, mais de technologie différente - qui fut annoncée fin octobre.
Le doute est prégnant, qui a raison, qui a tort ? Nous n'en savons bien sûr encore rien, tant que l'un ou l'autre n'a pas reconnu les résultats de l'autre ou de l'un....
Et il existe une autre expérience de recherche de matière noire, qui n'a jamais reconnu sa "défaite", qui a toujours clamé avoir observé un signal de particules de matière noire, et ce depuis le début des années 2000, depuis plus de 10 ans maintenant, alors que toutes les autres manips excluaient ces résultats les unes après l'autres. C'est l'expérience italienne DAMA.
Signal modulé observé par l'expérience DAMA (DAMA collaboration 2013)
DAMA exploite un très gros détecteur scintillateur d'iodure de sodium dopé au thallium (NaI(Tl)), qui est l'un des meilleurs (et des plus anciens) scintillateurs. Ce que semblent détecter les italiens de DAMA est un très faible dépôt d'énergie, qui varie en fonction des saisons. Exactement ce qu'on s'attendrait à observer si il y avait des WIMPs de relativement faible masse (environ 10 GeV), dans lesquelles nous baignerions. La modulation annuelle est un signe infaillible de l'origine astrophysique du signal.
Sauf que toutes les autres expériences de recherche de matière noire directe excluent la solution de DAMA, que ce soient CDMS-Si, LUX, mais aussi de nombreuses autres.
Face à l'obstination des italiens à clamer année après année qu'ils mesurent des WIMPs, ils sont du coup un peu devenus la risée de leurs concurrents...
Le signal que DAMA observe dans son scintillateur provient théoriquement de l'énergie qu'y déposent les WIMPs par leurs collisions élastiques ou inélastiques sur les noyaux d'atome formant le matériau du scintillateur : sodium, iode, voire thallium. Bien sûr, l'énergie que laisse la WIMP dans le cristal dépend non seulement de sa propre masse mais aussi et surtout de la masse du noyau cible, exactement à la manière d'un jeu de pétanque. Lancer une boule sur le cochonnet ne donne pas la même énergie de recul que si la même boule est lancée sur une boule identique.
Installation des scintillateurs de DAMA dans une atmosphère d'azote purifiée (LNGS/INFN)
Les physiciens italiens ont toujours (et très logiquement) considéré que les seuls noyaux pouvant être impactés étaient les noyaux de sodium et d'iode qui forment presque en totalité l'iodure de sodium, donnant après calcul une masse de WIMP de l'ordre de la dizaine de GeV.
Mais voilà qu'aujourd'hui, un physicien du SLAC à Standford fait une proposition audacieuse permettant d'entrevoir une explication à la valeur du signal modulé observé par DAMA. Sa solution donne une masse de WIMP bien plus faible que 10 GeV, et qui ne serait de fait pas atteignable par les autres expériences de recherche directe, ce qui expliquerait les tensions observées...
Dans son article venant de paraître sur le site de preprints ArXiv et destiné à être publié par Astronomy and Astrophysics, J. Va'Vra est parti du principe que le signal de DAMA provenait bien de collisions de WIMPs et a cherché d'où pouvait provenir ces dépôts d'énergie si ce n'était pas par des collisions sur les noyaux de sodium et d'iode. Pour que les autres expériences ne détectent rien, cela veut dire que la masse de la WIMP est plus faible. Et qui dit masse plus faible, pour produire une quantité d'énergie similaire, dit noyau cible plus léger. Que peut-il y avoir de plus léger que le sodium (nombre de masse de 23) dans le NaI(Tl) ? De l'humidité ! Des atomes d'oxygène (M=16) et d'hydrogène (M=1) ! L'oxygène est encore trop lourd, mais l'hydrogène se trouve être très intéressant. Il se trouve qu'effectivement, des molécules OH peuvent apparaître comme des impuretés dans l'iodure de sodium, issues du processus de fabrication, avec une quantité relative de l'ordre du ppm (10-6).
Principe de la détection directe de WIMPs par scintillateur
Cette possibilité semble de fait alléchante, mais il reste encore beaucoup d'inconnues. Non seulement on connait mal ce qui se passe dans le NaI(Tl) pour des reculs de protons (le noyau d'hydrogène), mais on ne connait pas non plus la probabilité d'interaction des WIMPs sur les protons, et d'autant moins quand l'énergie cinétique considérée ne vaut que 5 keV, ce qui serait le cas pour une telle WIMP de 1 GeV lancée à une vitesse relative de 30 km/s.
Une chose est en tout cas sûre : plus les scintillateurs NaI(Tl) sont purs et bien fabriqués, moins on devrait voir de signal... (joli paradoxe).
L'autre élément intéressant à noter est que plus le détecteur est entouré de matière hydrogénée (eau ou glace par exemple), moins ce dernier devrait détecter de signal.
De quoi donner des pistes très intéressantes pour creuser les résultats de DAMA, troublants depuis maintenant plus de 10 ans.
