Nouveau chapitre dans la recherche de la matière noire

XENON1T dans la Halle B du LNGS : à droite, le bâtiment, une structure en acier avec des murs en verre, qui abrite la préparation du xénon ainsi que la commande de l'expérience et la collecte de données, à gauche, le grand réservoir d'eau, au centre duquel le détecteur est installé. (© Collaboration XENON)

Montage du détecteur XENON1T dans la salle blanche. (© Collaboration XENON)

Dans l'univers, il doit y avoir cinq fois plus de matière noire que la matière visible que nous connaissons. Cependant, il reste encore inconnu de quoi cette matière noire est composée. Le 11.11.2015, une équipe internationale de scientifiques a inauguré l'instrument XENON1T dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie, qui ouvre un nouveau chapitre dans la recherche de la matière noire.

La matière noire est une composante essentielle de l'univers, et cela fait des décennies que l'on recherche sa présence à l'aide d'expériences en laboratoire. Cependant, jusqu'à présent, la matière noire n'a été observée que de manière indirecte, notamment par sa gravité, qui domine tous les mouvements des étoiles et des galaxies. Les indices suggèrent que la matière noire est composée d'une forme inconnue de particules élémentaires stables, appelées WIMPs, qui ont jusqu'ici échappé à l'observation. Les WIMPs seraient des particules fantômes, similaires aux neutrinos, qui ont également été postulés à partir d'indices. « Nous estimons qu'environ cent mille particules de matière noire traversent la surface d'un ongle chaque seconde », explique le Professeur Manfred Lindner, directeur à l'Institut Max-Planck de physique nucléaire à Heidelberg. « La probabilité qu'elles interagissent avec les atomes de notre détecteur doit être extrêmement faible – sinon nous les aurions déjà trouvées. La zone dans laquelle les WIMPs devraient être visibles n'a cependant pas encore été complètement explorée. C'est pourquoi nous avons besoin de XENON1T, un instrument beaucoup plus sensible, qui pénètre profondément dans la région où l'on attend ces signaux rares. » Le détecteur a été construit par la collaboration internationale XENON, regroupant 21 groupes de recherche des États-Unis, d'Allemagne, d'Italie, de Suisse, du Portugal, de France, des Pays-Bas, de Suède, d'Israël et d'Abou Dhabi, qui ont aujourd'hui célébré l'inauguration de leur nouvel instrument XENON1T.

La cérémonie avec des représentants des institutions financeuses et des journalistes s'est tenue dans le Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) en Italie, l'un des plus grands laboratoires souterrains au monde. Environ 80 invités se sont rassemblés pour la cérémonie dans la salle B, longue de 110 m, large de 15 m et haute de 15 m, du LNGS, directement à côté de l'instrument XENON1T. « Notre détecteur se trouve à 1400 m sous la roche pour le protéger des rayonnements cosmiques », explique le Professeur Uwe Oberlack de l'Université Johannes-Gutenberg de Mainz, qui précise le lieu de l'instrument. « Même à cette profondeur, nous avons encore besoin d'une protection entourant l'expérience, composée de 750 mètres cubes d'eau ultrapure, qui indique par de minuscules éclairs lumineux le rayonnement cosmique restant et bloque la radioactivité environnante. » Lors de la séance d'introduction précédente dans la salle d'auditorium du LNGS, avec d'autres invités, des présentations ont exposé la motivation physique, la stratégie du projet et la construction du détecteur.

Lutte contre les plus petites quantités de radioactivité environnementale

En tant que détecteur de matière noire, XENON1T utilise 3,5 tonnes du gaz noble xenon sous forme liquide à –95 °C. « Pour détecter les interactions rares des particules de matière noire dans le détecteur, nous avons besoin d'une grande quantité de matériau de détection et d'une pureté radioactive extrême », explique le Professeur Christian Weinheimer de l'Université de Münster. « Sinon, nous n'aurions aucune chance de distinguer les vrais signaux des signaux parasites. » C'est pourquoi les scientifiques de XENON ont soigneusement examiné tous les matériaux utilisés pour la construction de l'instrument, en recherchant leur contenu en impuretés radioactives, et ont choisi les plus purs. Il ajoute : « Il n'existe pas d'objets totalement dépourvus de radioactivité ; de minuscules traces de radioactivité sont présentes partout, dans les métaux, dans les murs du laboratoire et même dans notre corps. Nous faisons tout notre possible pour réduire ces impuretés radioactives autant que possible. »

Les chercheurs de XENON mesurent des signaux lumineux et de charge extrêmement faibles, à partir desquels ils reconstituent la localisation de l'interaction dans le détecteur, ainsi que l'énergie libérée. Seuls les signaux provenant de la première tonne du xenon liquide sont considérés comme potentiellement causés par des particules de matière noire. La lumière est enregistrée par 248 capteurs lumineux, suffisamment sensibles pour détecter des photons individuels. Ils sont situés avec le xenon liquide très froid dans une sorte de gigantesque thermos, le cryostat. La purification et la liquéfaction du gaz xenon se font dans le bâtiment XENON à trois étages, à côté du grand réservoir d'eau. Au rez-de-chaussée, se trouve une énorme sphère en acier avec des tuyaux et des vannes. « Ce système, appelé ReStoX, peut contenir 7,6 tonnes de xenon, à la fois sous forme gazeuse et liquide », explique Uwe Oberlack. « C'est plus que la quantité nécessaire pour XENON1T, mais nous voulons être prêts à augmenter rapidement la sensibilité du détecteur à l'avenir, par une extension avec une plus grande quantité de xenon. »

Espoir d'un signal de matière noire

« L'inauguration tombe précisément à la fin de la fabrication du nouvel instrument », se réjouit Christian Weinheimer. « Nous sommes déjà en train de tester le fonctionnement des composants. Une fois en service, XENON1T sera l'expérience la plus sensible au monde pour la recherche de la matière noire. » Des premiers résultats sont déjà attendus pour le printemps 2016, car XENON1T dépassera tous les autres expériences en seulement une semaine de mesures. Après deux ans de collecte de données, la performance de l'instrument sera épuisée, selon une étude récemment publiée. « Bien sûr, nous voulons trouver de la matière noire », déclare Manfred Lindner. « Mais même si, après deux ans, nous ne trouvons que quelques indices, nous serons en excellente position, car nous pourrons rapidement faire évoluer l'instrument vers XENONnT pour couvrir également les dernières régions du domaine WIMP. » La majeure partie de l'infrastructure existante suffit pour cela.

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Les membres de la collaboration internationale XENON comprennent, en Allemagne, l'Institut Max-Planck de physique nucléaire (MPIK) à Heidelberg, l'Université Johannes-Gutenberg de Mainz et l'Université de Münster. La sélection et le contrôle des matériaux du détecteur à très faible radioactivité, le développement et le test des capteurs lumineux ainsi que la cible de xenon relèvent de la responsabilité du MPIK. Le groupe de l'Université de Mainz est responsable du détecteur de muons. Il participe également au système innovant de stockage du xenon ReStoX ainsi qu'au détecteur interne. Les chercheurs de l'Université de Münster sont responsables du nettoyage du xenon et ont développé le circuit de purification et un système de distillation à très basse température unique. Les trois instituts s'engagent dans la collecte, l'analyse des données et la calibration.

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Contact :

Max-Planck-Institut für Kernphysik :
Prof. Dr. Manfred Lindner
Tél. : 06221 516 800
Fax : 06221 516 802
E-mail : lindner (at) mpi-hd.mpg.de

Johannes-Gutenberg-Universität Mainz :
Prof. Dr. Uwe Oberlack
Tél. : 06131 3925167
Fax : 06131 3925169
E-mail : oberlack (at) uni-mainz.de

Westfälische Wilhelms-Universität Münster :
Prof. Dr. Christian Weinheimer
Tél. : 0251 8334971
Fax : 0251 8334962
E-mail : weinheim (at) uni-muenster.de