Nouvelle expérience teste des signaux controversés de matière noire

Dans la salle blanche : Karoline Schäffner et son équipe terminent leur travail sur le cryostat. (Photo : Collaboration COSINUS)

Configuration schématique de l'expérience COSINUS (dessin : Collaboration COSINUS) / Configuration de l'expérience COSINUS (dessin : Collaboration COSINUS)

Une équipe de scientifiques et de techniciens lors de l'installation du cryostat. (Photo : Collaboration COSINUS) / A team of scientists and technicians are installing the cryostat. (Photo: COSINUS Collaboration)

Le détecteur : un cristal d'iodure de sodium - le même matériau que dans l'expérience DAMA/LIBRA. (Photo : Collaboration COSINUS) / The detector: A crystal of sodium iodide - the same material as in the DAMA/LIBRA experiment. (Photo: COSINUS Collaboration)

En Italie, un grand expérience pour la détection de la Matière Noire a été inaugurée le 18 avril 2024. COSINUS est un projet de recherche international, auquel participe également une équipe de l'Institut Max-Planck de Physique (MPP).

La nature de la Matière Noire reste jusqu'à aujourd'hui l'une des grandes questions de la physique moderne. Selon nos connaissances actuelles, la Matière Noire invisible représente 85 % de la masse totale de l'univers. Aujourd'hui, dans le laboratoire souterrain de Gran Sasso en Italie (INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso), l'expérience COSINUS* est mise en service. Le projet de recherche doit vérifier si une autre expérience (DAMA/LIBRA) a réellement mesuré des signaux de la Matière Noire – ou non. COSINUS est une coopération entre la TU Vienne, l'Institut de Physique des Hautes Énergies de l'ÖAW, l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italie), l'Institut de Physique de Helsinki (Finlande) et le MPP.

Pour le projet COSINUS, un instrument spécial a été développé. Il consiste à refroidir un cristal à des températures extrêmement basses afin de pouvoir mesurer l'énergie des particules avec une grande précision. Si la Matière Noire est constituée de particules encore inconnues, la Terre devrait entrer en collision avec ces particules lors de sa traversée de l'espace. Ces collisions pourraient être détectées par l'appareil de mesure.

L'expérience DAMA/LIBRA a collecté des données qui sont compatibles avec cette hypothèse, mais elles restent controversées, car la confirmation par une autre expérience n'a pas encore été obtenue.

La Terre traverse-t-elle une brume de Matière Noire ?

Si la Matière Noire pouvait réellement être détectée, les mesures varieraient tout au long de l'année. Pourquoi ? Le Soleil et toutes ses planètes – y compris la Terre – se déplacent à une vitesse d'environ 220 kilomètres par seconde autour du centre de la Voie Lactée. La Terre, quant à elle, tourne autour du Soleil à une vitesse d'environ 30 kilomètres par seconde, et pour effectuer une révolution complète, elle met un an. Pendant six mois, la Terre se déplace dans la même direction que le Soleil, puis dans la direction opposée pendant les autres six mois.

« Si notre galaxie est traversée par des particules de Matière Noire, la Terre se déplacerait plus ou moins rapidement à travers cette « brume » », explique Karoline Schäffner, scientifique du MPP et responsable technique de COSINUS. « La situation est comparable à une conduite sous la pluie : plus on va vite, plus de gouttes de pluie frappent le pare-brise. Nous attendons donc à différents moments de l'année de détecter des quantités variables de Matière Noire. »

Ce que l'expérience DAMA/LIBRA, en activité depuis 1995, a effectivement montré : un signal dont l'intensité variait régulièrement au cours de l'année – un indice de la Matière Noire. Cependant, d'autres expériences n'ont pas pu reproduire ces résultats.

Le manque de confirmation par d'autres expériences préoccupe la communauté scientifique internationale depuis des années. « Avec notre nouveau projet, il y a une chance de résoudre cette énigme », déclare Karoline Schäffner. « Nous utilisons dans notre détecteur du iodure de sodium, le même matériau que dans l'expérience DAMA/LIBRA, pour pouvoir comparer les résultats. Cependant, notre dispositif offrira une précision nettement supérieure. »

Chaleur et lumière

Dans l'expérience DAMA/LIBRA, seule la lumière est mesurée, pas la chaleur. Deux autres expériences sont déjà en cours pour reproduire les résultats de DAMA/LIBRA. Comme l'original, elles ne détectent que la lumière – contrairement à COSINUS, qui est conçue pour deux signaux différents.

Le cœur de COSINUS est un cryostat – une sorte de réfrigérateur pour températures extrêmement basses – dans lequel un cristal d'iodure de sodium peut être refroidi à 1-2 centièmes de degré au-dessus du zéro absolu (-273 degrés Celsius). Lorsqu'une particule de Matière Noire frappe ce cristal, deux réactions se produisent dans le détecteur : d'abord, les atomes du cristal entrent en vibration – la structure cristalline commence à vibrer et se réchauffe. L'énergie thermique ainsi absorbée peut être mesurée avec une extrême précision. Ensuite, du lumière est également produite dans le cristal, que COSINUS peut également « voir ».

Particules connues ou inconnues ?

L'étude de deux signaux fournit également des indications sur la nature des particules. « C'est important, car tous les signaux détectés dans un tel détecteur ne sont pas forcément une preuve de la Matière Noire », explique Karoline Schäffner : « Par exemple, il peut s'agir de particules d'électrons ordinaires, issues de la radioactivité naturelle. Ou aussi de neutrons produits par des particules cosmiques. »

Pour découvrir des signaux de Matière Noire, les chercheurs doivent isoler le cristal du bruit de fond aussi efficacement que possible. C'est pourquoi l'expérience est bien protégée, située dans une montagne, dans le plus grand laboratoire souterrain du monde : dans les INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (INFN-LNGS, Italie), à une centaine de kilomètres de Rome. Sous 1 400 mètres de roche, un système de tunnels accueille une multitude d'expériences très sensibles – l'expérience DAMA/LIBRA y est également installée. De plus, les détecteurs sont placés dans un réservoir de sept mètres de haut rempli d'eau ultrapure.

Le projet COSINUS sera inauguré le 18 avril 2024 à l'INFN-LNGS. Les premiers résultats des mesures sont attendus pour 2025/26.

* Cryogenic Observatory for SIgnatures seen in Next-generation Underground Searches