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Posté par Adrien le Mercredi 28/02/2018 à 00:00
Darkside-50: Un nouveau regard sur la matière noire
Un premier détecteur, Darkside-50, est actuellement en phase de prise de données. Il s'agit d'une chambre à projection temporelle (TPC) contenant 150 kg d'argon, dont 50 kg constituent la masse active. Cet argon, extrait de puits très profonds au Colorado est caractérisé par sa teneur minimale en radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour le thorium, est un phénomène physique...). Ces propriétés, combinées avec une technique d'analyse de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) très performante, permettent une annulation du bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la...) induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) par la radioactivité naturelle et, par conséquent, une mise en évidence sûre des possibles interactions de la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet...).


Le détecteur DarkSide-50: la chambre à projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de la Terre dans son ensemble ou en partie sur la surface plane d'une carte.) temporelle, remplie d'argon liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), est entourée par un blindage actif de scintillateur (Un scintillateur, est un matériau qui émet de la lumière suite à l'absorption d'un rayonnement.) liquide (dans la sphère), le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) installé dans un cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe directrice et...) contenant 1000 m3 d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.).
© Collaboration

DarksideDarkSide-50 est installé au LNGS en Italie, à 120 km de Rome, à une profondeur de 1400 mètres permettant de réduire d'un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un...) de fois les rayons cosmiques. DarkSide-50 est également protégé par un double blindage composé de 30 tonnes de scintillateur liquide et de 1 000 tonnes d'eau ultra-pure, utilisés pour supprimer le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule...) cosmique résiduel et la radioactivité des roches entourant le laboratoire.

Les résultats scientifiques présentés par la collaboration DarkSide après 570 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure...) de prise de données sont déclinés selon deux axes.

D'une part, pour la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) de WIMPs de grande masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) (?50 GeV/c2) (1), les signaux de scintillation et d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors appelé ion.) de l'argon liquide ont été exploités et aucun événement n'a été observé dans la région d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) où le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis...) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...) noire est attendu. La collaboration a ainsi démontré la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de discrimination du détecteur pour les signaux de radioactivité naturelle, ce qui constitue une validation très prometteuse de la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) sous-jacente. En particulier, la discrimination réalisée entre la radioactivité naturelle et le recul nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) est une confirmation forte des capacités de la technologie de l'argon liquide.

D'autre part, la collaboration a utilisé le seul signal d'ionisation pour explorer des énergies plus faibles, où les WIMPs de masse inférieure (?10 GeV/c2) sont attendus. L'absence du signal de scintillation ne permettant pas de supprimer le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) de fond, la clé du succès a été la modélisation extrêmement précise du bruit et de la réponse du détecteur. Le résultat obtenu avec DarkSide-50 a ainsi permis d'étendre d'un ordre de grandeur la zone d'exclusion à des WIMPs de masse inférieure à 5 GeV/c2.


Assemblage de la chambre de projection temporelle du détecteurDarkSide-50.
© Collaboration Darkside

Une contribution fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) à ce résultat vient de l'expérience ARIS (Argon Response Ionization and Scintillation) qui a permis la caractérisation détaillée de la réponse de l'argon liquide. L'expérience ARIS, qui utilise un faisceau de neutrons, a été réalisée au laboratoire ALTO (Orsay) sous la direction des équipes françaises de l'APC et du LPNHE en collaboration avec l'IPNO. La modélisation précise de la réponse du détecteur et du bruit de fond a été le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La...) du développement de plusieurs années d'une simulation Monte Carlo détaillée des détecteurs de la famille DarkSide, mise au point (Graphie) par les équipes de l'APC et du LPNHE.

Les résultats de DarkSide-50 sont très prometteurs pour la réalisation d'un programme concluant de découverte de la matière noire avec des détecteurs à argon liquide. "Ce résultat passionnant élargit considérablement la portée physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) de la technologie de DarkSide, développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la...) à l'origine pour la recherche de matière noire dans le domaine des grandes masses" a déclaré Cristiano Galbiati, professeur à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Princeton et porte-parole de la collaboration. "C'est la meilleure façon de lancer l'aventure du détecteur DarkSide-20k, dont la construction vient d'être approuvée et qui sera doté d'une cible près de 1000 fois plus grande que DarkSide-50".

En France, DarkSide est soutenu par l'IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de recherche est comme...), le LabEx UnivEarthS et l'Université Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du collège de Sorbonne,...) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au...) Cité (La cité (latin civitas) est un mot désignant, dans l’Antiquité avant la création des États, un groupe d’hommes...) qui a accueilli Cristiano Galbiati en qualité de professeur invité.

Note:

(1) D'après la relation E = mc2 de la relativité restreinte (On nomme relativité restreinte une première version de la théorie de la relativité, émise en 1905 par Albert Einstein, qui ne considérait pas la question des accélérations d'un...), en physique de particule on peut échanger les unités de la masse et de l'énergie, donc la masse peut être exprimée en unités eV/c2. 1GeV/c2=1,783 x 10-29 kg


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Source: CNRS-IN2P3