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. Ces propriétés, combinées avec une technique d'analyse de données très performante, permettent une annulation du bruit de fond induit par la radioactivité naturelle et, par conséquent, une mise en évidence sûre des possibles interactions de la matière noire.


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 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 cosmique résiduel et la radioactivité des roches entourant le laboratoire.

Les résultats scientifiques présentés par la collaboration DarkSide après 570 jours de prise de données sont déclinés selon deux axes.

D'une part, pour la recherche de WIMPs de grande masse (›50 GeV/c2) (1), les signaux de scintillation et d'ionisation de l'argon liquide ont été exploités et aucun événement n'a été observé dans la région d'énergie où le signal de la matière noire est attendu. La collaboration a ainsi démontré la puissance de discrimination du détecteur pour les signaux de radioactivité naturelle, ce qui constitue une validation très prometteuse de la technologie sous-jacente. En particulier, la discrimination réalisée entre la radioactivité naturelle et le recul nucléaire 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 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.


Une contribution fondamentale 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 du développement de plusieurs années d'une simulation Monte Carlo détaillée des détecteurs de la famille DarkSide, mise au point 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 de la technologie de DarkSide, développée à l'origine pour la recherche de matière noire dans le domaine des grandes masses" a déclaré Cristiano Galbiati, professeur à l'Université 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, le LabEx UnivEarthS et l'Université Sorbonne Paris Cité qui a accueilli Cristiano Galbiati en qualité de professeur invité.

Note:

(1) D'après la relation E = mc2 de la relativité restreinte, 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