Snoglobe: un nouveau détecteur de matière noire
Publié par Redbran le 03/12/2019 à 14:00
Source: CNRS IN2P3
Snoglobe, le nouveau détecteur de matière noire de la collaboration NEWS-G a été officiellement déclaré apte au service et a quitté le Laboratoire souterrain de Modane où il a été assemblé puis testé durant 3 mois. Retour sur les opérations avec Ali Dastgheibi-Fard, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés...) en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un...) du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...) au LSM.


Le détecteur SNOGLOBE est une sphère de 1,4m de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour...) faite d'un cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et...) ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT),...) pur. Image LSM

Dans le Laboratoire souterrain de Modane (LSM), l'espace était en ce début novembre encombré de grosses caisses estampillées SNOLABb Canada. Dedans, les pièces du nouveau détecteur de 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...) SNOGLOBE, entièrement fabriquées par les laboratoires de 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 son nom l'indique la physique nucléaire et des particules. Il a été...) et du CEA/IRFU, ont été soigneusement emballées afin d'être réassemblées dans le laboratoire souterrain canadien de SNOLAB. Enfoui sous 2000m de roches, le détecteur gazeux de basse 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...) va tester l'existence des présumés WIMPs (hypothétiques particules de 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...) noire) dans les basses masses, à savoir les WIMPs d'une 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.) comprise entre 0,5 et 3 GeV.


Le détecteur SNOGLOBE avec sa gangue de plomb dans les locaux du laboratoire souterrain de Modane / Image LSM.

Une préparation conduite au LSM

SNOGLOBE a été conçu assemblé et testé dans le laboratoire souterrain de Modane. "Ce site présente en effet un véritable intérêt pour conduire ces premières phases" explique Ali Dastgheibi-Fard, chercheur en charge du détecteur au LSM. "En plus d'être proche des laboratoires et entreprises chargés de sa fabrication, il est facile d'accès. On s'y rend horizontalement par une route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) assez large pour laisser passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) des semi-remorques. En comparaison, le laboratoire Canadien SNOLAB situé au fond d'une mine en service, n'offre pas cette souplesse. Il faut y descendre par un ascenseur (Un ascenseur est un dispositif mobile assurant le déplacement des personnes (et des objets) en hauteur sur des niveaux définis d'une construction.) de 2 km, parcourir plusieurs centaines de mètres de galeries, et y porter une tenue de salle blanche. Quant aux matériels et composants d'une expérience, il faut les donner au service nettoyage au moins 1 à 3 semaines d'avant qu'ils puissent pénétrer le laboratoire." Autant dire que l'on doit y réfléchir à deux fois avant d'y descendre. Sans compter la contrainte de taille. Ainsi le détecteur SNOGLOBE a dû être redimensionné de 2m de diamètre à 1,4m pour tenir dans l'ascenseur de la mine.

Le volume le moins exposé du globe

SNOGLOBE est une sphère dans laquelle le niveau de radioactivité est gardé le plus bas possible, afin d'éliminer au maximum tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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 création d'une sensation...) et bien distinguer l'éventuel 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 la nuit des temps par les hommes...) d'une 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...) de matière noire avec le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) qu'elle contient. Le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de ces événements annuels attendu se comptant sur les doigts d'une main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par le poignet. C'est...) durant une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.), il ne faut pas les rater. D'infinies précautions ont donc été prises pour faire de SNOGLOBE l'endroit le moins exposé aux rayonnements de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus...). De fait, le détecteur est stocké en sous-sol pour le protéger du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) cosmique. Mais ça n'est pas suffisant. "La sphère a dû être fabriquée dans un cuivre pur à 99,99%, dépourvu d'impuretés susceptibles de rayonner" indique le chercheur du LSM, "ce cuivre est ensuite entouré d'un blindage de 3cm de plomb dit "archéologique" [ndlr: plomb qui a perdu toute sa radioactivité], et de 22 autres centimètres de plomb classique pour stopper les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) gamma de haute énergie venus de la 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...) du laboratoire. Le tout est enveloppé dans un carcan d'acier inoxydable (Les aciers inoxydables jouent un grand rôle dans d'innombrables domaines : vie quotidienne, industrie mécanique, agroalimentaire, chimie, transports,...). Enfin, 40 cm de polyéthylène entoure la totalité du blindage. Ce dernier joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert...) le rôle de modérateur contre les neutrons ambiants." Résultat, avec ces 40 tonnes de blindage et les plus de 1700 mètres de roches de la montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la surface d'astres de type tellurique (planète tellurique,...), le nombre d'interactions dans le détecteur chute d'un facteur 10 000 comparé aux conditions de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...).


Pour limiter le bruit du rayonnement ambiant, le détecteur est isolé par un blindage multicouches. Image collaboration NEWS-G

Une fois en place dans le laboratoire souterrain canadien, SNOGLOBE sera rempli de gaz inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.). Un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de...) en différentes proportions d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point d'ébullition est le plus bas...), de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est...) et de néon (Le néon est un élément chimique, de symbole Ne et de numéro atomique 10.) qui servira de milieu d'interaction avec les WIMPs. La quête durera 2 à 3 années pendant lesquelles la collaboration NEWS-G ne compte pas se tourner les pouces. Car déjà deux détecteurs encore plus basse radioactivité sont en discussion. A n'en pas douter, le LSM sera sur les rangs pour les réaliser.

La collaboration NEWS-G: elle regroupe les laboratoires français LPSC avec le laboratoire souterrain de Modane, le CPPM, SUBATECH ainsi que le CEA/IRFU. Elle est conduite par la Queen's University au Canada, et compte parmi les collaborateurs étrangers, les universités de Birmingham en Grande Bretagne, de l'Alberta au Canada, d'Aristotle en Grèce, ainsi que le Pacifique Northwest National Laboratory et le Royal Military College.

Une sphère de cuivre objet de toutes les précautions

La fabrication de la sphère en cuivre est la partie la plus délicate du détecteur Snoglobe. L'opération commence par la mise en demi-sphère par repoussage de deux disques de cuivre ultra pur. L'intérieur des demi-sphères est ensuite poli sur 2 microns d'épaisseur par "electropolishing" pour en éliminer les impuretés qui s'y seraient accumulées. Puis elle est recouverte d'un dépôt de 500 microns de cuivre ultra pur lui aussi. Ces opérations ont lieu au LSM sous une tente où l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et...) est nettoyé du radon (Le radon est un élément chimique du tableau périodique de symbole Rn et de numéro atomique 86. C'est un gaz rare, radioactif, d'origine naturelle,...) ambiant pour empêcher qu'il ne contamine la sphère. Les deux parties sont ensuite envoyées à 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...) pour être soudées par faisceau d'électrons, une technique qui évite l'ajout de matière contaminante. La sphère une fois fermée est nettoyée une dernière fois à l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) avant d'être mise sous vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) ou remplie de gaz inerte pour empêcher toute contamination.


Différentes étapes de la fabrication de la sphère de cuivre: le repoussage pour former des demi-sphères, le polissage à l'acide et l'"electropolishing". Images LSM/Collaboration NEWS-G

Contacts:
- Emmanuel Jullien - Chargé de communication (Le chargé de communication développe des actions de communication vers des publics variés en cohérence avec la stratégie générale de l’établissement. Il met en œuvre...) - communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine...) at in2p3.fr
- Ali Dastgheibi-Fard - Chercheur au Laboratoire souterrain de Modane/LPSC - dastgheibi at lpsc.in2p3.fr
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