Les premiers pas d'Edelweiss II pour détecter la matière noire
Publié par Adrien le 28/03/2006 à 00:00
Source: CNRS
Illustration: © CEA/Dapnia
L'expérience Edelweiss II (1) enregistre, depuis janvier 2006, ses premières impulsions. Edelweiss est une expérience dont le but est la détection des Wimps, particules de matière noire, dans le laboratoire souterrain de Modane (LSM, CNRS/IN2P3 - CEA). Malgré d'excellentes performances, Edelweiss (EDELWEISS est un acronyme (choisi par jeu de mot avec la fleur Edelweiss) signifiant Expérience pour Détecter Les WImps En Site Souterrain (les Wimps étant des particules hypothétiques, voir plus bas).) I avait une sensibilité limitée par le 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...) des neutrons ambiants. Avec Edelweiss II, il va être possible de gagner un facteur 100 sur la sensibilité à la découverte des Wimps et de tester une grande variété de modèles proposés dans le cadre des théories de supersymétrie (Note : Pour profiter au mieux de cet article, le lecteur devrait avoir de bonnes notions sur le spin, la physique des particules et la symétrie en physique.). Edelweiss II sera inaugurée le 31 mars prochain à Modane.


Montage des premiers détecteurs de test
sur la platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) du cryostat ouvert

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 gazeux. La matière occupe de l'espace et...) ordinaire, constituée d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...), qu'ils soient terrestres, stellaires ou galactiques, ne contribue que pour environ 4 % à la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau...) totale de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Une partie des 96 % restants serait formée de matière cachée (25 %), dite aussi 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 des galaxies. Différentes hypothèses ont été émises et...), le reste étant de "l'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.) noire". La matière noire tire son nom du fait qu'elle interagit faiblement avec la matière ordinaire et qu'elle est notamment insensible aux interactions électromagnétiques qui pourraient donner lieu à un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) lumineux. Son éventuelle existence, prédite pour la première fois dans les années trente par l'astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) Fred Zwicky, est une des énigmes majeures de la 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...) léguées par le XXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33...). Plusieurs théories de physique subatomique, en particulier les théories de supersymétrie, prédisent qu'elle pourrait être constituée d'un nouveau type de particules, les Wimps (acronyme anglo-saxon de particule massive (Le mot massif peut être employé comme :) interagissant très faiblement).

De nombreuses équipes dans le monde (Le mot monde peut désigner :) cherchent à observer les Wimps. Mais ces particules sont très difficiles à détecter compte tenu de leur très faible interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en...) avec la matière ordinaire (et donc avec un détecteur), d'où la nécessité de se protéger des parasites que constituent d'une part le rayonnement cosmique et la 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 naturel au cours duquel des noyaux...) qu'il 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...), et d'autre part la radioactivité naturelle (corps humain, roches, matériaux). Pour cela, les physiciens travaillent dans des laboratoires souterrains avec des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) d'une pureté radioactive extrême et leurs détecteurs sont protégés par de multiples blindages. L'objectif est de détecter les infimes "chocs" entre des Wimps et les noyaux atomiques du germanium des détecteurs, notamment par la mesure de la très faible élévation de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid...) qu'ils produisent (un millionième de degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) environ).

Installés dans le hall du LSM au milieu du tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction les grands...) routier du Fréjus, les détecteurs ultra-sensibles d'Edelweiss sont protégés des rayons cosmiques par 1 700 m de roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par un assemblage de...).

Edelweiss I, qui rassemblait 3 détecteurs de 320 grammes de germanium pur, avait déjà tenté d'observer des Wimps sans y parvenir. Pourtant, elle avait en 2002 la meilleure sensibilité mondiale, par rapport à ses concurrents installés dans d'autres laboratoires souterrains en Italie, en Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni. Elle est de loin la plus peuplée, avec 50 763 000 habitants (en 2006), qui représentent...), aux États-Unis et au Japon. Cette sensibilité n'a été égalée et surpassée (par un facteur 4) que deux ans plus tard par une expérience similaire aux États-Unis appelée CDMS.

Pour augmenter la sensibilité de 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...), il a donc été décidé de construire une nouvelle installation, Edelweiss II. Placée dans un nouvel environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une...), elle comprendra dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) 28 détecteurs (soit une 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...) totale d'environ 9 kg) et devrait atteindre dans les années à venir environ 120 détecteurs (soit une masse totale d'environ 40 kg) abrités par un blindage de 100 tonnes de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) et polyéthylène. Unique au monde par la taille de son cryostat, d'un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de 100 litres, capable de refroidir la quarantaine (La quarantaine (venant de l'italien : quaranta giorni, qui signifie 40 jours, ou bien du français : quarantaine de jours) est le fait de mettre à l'écart des personnes ou des animaux durant une...) de kilogrammes (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).) de détecteurs en germanium à une température proche du zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des...) absolu, Edelweiss II aura alors une sensibilité environ 100 fois plus grande que celle d'Edelweiss I. En leur permettant d'explorer de nouveaux modèles dans le cadre des théories de supersymétrie, elle constituera, pour les équipes françaises, allemandes et russes d'Edelweiss, un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises,...) décisif dans la course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) à la recherche de ces particules évanescentes, les Wimps.

En janvier 2006, Edelweiss II a accompli avec succès la première mise à froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) de son nouveau cryostat et a enregistré les premières impulsions des détecteurs. Ces impulsions, induites pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) par la radioactivité ambiante, manifestent le bon fonctionnement des détecteurs dans le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) nouvel environnement. Elles seront éliminées après la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de mise au point (Graphie), par la mise en place des différents blindages de l'expérience qui ne laisseront alors passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) que les Wimps.

(1) La collaboration Edelweiss est constituée de six laboratoires français [CEA/DSM (Dapnia, Drecam), CNRS/IN2P3 (Institut de physique nucléaire de Lyon, Centre de spectrométrie nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) et de spectrométrie de masse), CNRS/MIPPU (Centre de recherche sur les très basses températures), CNRS/INSU (Institut d'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers...) de 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 centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne...), Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute...) d'astrophysique spatiale)], deux laboratoires allemands (FZ Karlsruhe, université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Karlsruhe) et un laboratoire russe (Dubna/DLNP).

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