EDELWEISS
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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).

Collaboration française IN2P3-CEA, elle implique les laboratoires suivants :

  • CEA/DRECAM Saclay
  • CEA/DAPNIA Saclay
  • IN2P3/CSNSM Orsay
  • IN2P3/IPNL Lyon
  • INSU/IAP 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 et de la Seine...)
  • CNRS/CRTBT Grenoble
  • IN2P3-CEA/LSM Modane
  • ForschungZentrum Karlsruhe

Domaine de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques....) de 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...)

L'identification de la nature 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...) est l'une des questions 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 connaissance de la...) contemporaine. Un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise...) d'observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) astrophysiques convergentes (mesures des anisotropies du fond de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) cosmique, études de luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) des supernovae lointaines , études de la distribution 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...) dans les amas de galaxies (Un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la gravitation. En deçà de 100, on parle plutôt de groupe de galaxies, même si la frontière entre groupe et amas n'est pas...), ...) permet de conclure que la matière ne contribue que pour un tiers 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...) de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.)M ~ 0.3) . Les protons et les neutrons, qui constituent les noyaux des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant...) (matière baryonique, capable d'émettre ou d'absorber le rayonnement), ne représentent eux-mêmes qu'une petite fraction de ce tiers de matière (ΩB ~ 0.04). La plus grande part de la matière dont est fait l'univers est donc invisible, non baryonique, et de nature inconnue ! Dans notre propre Galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette fois au singulier.), au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui...) du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique,...), cette densité de Matière Noire est voisine de 0.3 GeV/cm³ et la recherche d'une possible contribution de nature baryonique sous forme d'objets compacts, massifs et invisibles (expérience EROS).

Cette Matière Noire non baryonique pourrait être constituée d'un nouveau type de particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des particules. Ces particules subatomiques sont dites...), massive (Le mot massif peut être employé comme :) et interagissant faiblement, génériquement appelée WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Reliques thermiques du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles...) durant lequel elles ont été créées, piégées dans le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) des galaxies, ces WIMPs ont naturellement une densité de l'ordre de ΩM. Or les théories supersymétriques , qui permettent d'unifier les quatre interactions fondamentales, prédisent justement l'existence de nouvelles particules élémentaires, massives et interagissant faiblement avec la matière. La plus légère de ces particules, le neutralino, pourrait être stable et apparaît comme l'un des candidats WIMP les plus sérieux.

La détection directe des WIMPs sur 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...) est possible : interagissant faiblement avec la matière ordinaire par diffusion élastique (Une diffusion élastique (ou collision élastique) est une interaction au cours de laquelle la quantité d'énergie cinétique entre deux corps est conservée.) sur les noyaux d'une cible cristalline, elles vont céder une partie de leur 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.) au 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...) sous forme d'énergie de recul des noyaux. Cependant les 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.) cosmologiques et des expériences auprès d'accélérateurs montrent que leur taux d'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 contact de sujets.) est extrêmement faible : on prédit que pour un détecteur d'un kg, le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'interactions est de l'ordre d'une par jour (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....), voire très nettement inférieur, ce qui rend les WIMPs plus discrètes encore que les neutrinos. C'est à ce type de recherche que s'est consacrée la collaboration EDELWEISS.

Principes de la détection directe des WIMPs

Toute expérience de détection directe des WIMPs doit affronter deux difficultés principales.

L'énergie de recul cédée au noyau lors d'une diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion...) est très faible : de quelques keV à quelques dizaines de keV suivant les masses respectives du neutralino et du noyau. Le seuil en énergie du détecteur doit donc être extrêmement bas. La collaboration EDELWEISS utilise des détecteurs cryogéniques, portés à très basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) (environ 20 mK) et constitués chacun d'un monocristal massif (Le mot massif peut être employé comme :) (320 g) de Germanium de très haute pureté. L'énergie de recul d'un noyau de Germanium y est convertie à la fois en chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) (mesurée par une élévation de température de l'ordre d'un millionième de degré) et en 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.) (un 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...) d'ionisation de quelques centaines d'électrons est mesurable). Le seuil en énergie est actuellement de l'ordre de 10 keV.

En outre, la faiblesse du taux d'événements attendu (une fraction d'événement par kg de Ge et par jour) impose de se protéger du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans...) intense d'événements parasites (bruit de fond) auquel est soumis tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) détecteur terrestre (rayonnement cosmique, 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...) naturelle de l'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...) et des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) constituant l'expérience). C'est pourquoi l'expérience EDELWEISS est installée en site souterrain profond, au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) sous le mont Fréjus. La couverture rocheuse de 1600 m y réduit le fond cosmique de plus de 6 ordres de grandeur (1/2 000 000) par rapport à son intensité à la 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...) de la terre.

Diverses protections passives vont de plus réduire 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 création d'une sensation auditive.) lié à la radioactivité qui reste présente même à grande profondeur. De l'extérieur vers le cœur de l'expérience on distingue :

  • un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par l'ordinateur, sous forme de texte et d'images en...) de 30 cm de paraffine solide qui va ralentir les neutrons rapides issus 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...) du laboratoire, capables sinon, comme les WIMPs, de provoquer des reculs de noyaux.
  • un blindage 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.) de 15 cm qui réduit de plus d'un facteur 1000 le flux de 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 interaction se traduit d'un...) gamma dû à la radioactivité de la roche.
  • un blindage de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses...) de 10 cm qui stoppe les émissions de basse énergie dûes au plomb lui-même (présence de l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le...) radioactif 210Pb de demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour perdre la moitié de son activité pharmacologique, physiologique ou...) de 22 ans).
  • au plus près des détecteurs, un blindage ultime de plomb ancien de plusieurs siècles (épave romaine de Ploumanac'h, IVème siècle)dont la radioactivité propre due au 210Pb est devenue totalement négligeable. Il protège les détecteurs de la radioactivité proche issue du cryostat.

Il va de soi que tout matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une...) entrant dans la fabrication du détecteur ou de son environnement proche est très sévèrement sélectionné quant à sa radioactivité. Des cristaux de Germanium hautement purifiés ont été produits pour le détecteur lui-même. Tous les autres composants proches (composants électroniques, colles (Colles (pluriel collis) est un mot d'origine latine désignant une petite colline ou une légère surélévation de la surface.), soudures, métaux des supports,...) sont sélectionnés très basse radioactivité grâce à un banc de spectrométrie gamma réservé à cet usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) au LSM.

C'est 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 résiduel qui va fixer la limite inférieure du taux mesurable d'interactions de WIMPs et donc la sensibilité de l'expérience. Pour augmenter sa sensibilité au delà de ce que permettent ces protections passives, EDELWEISS a mis en œuvre une technique de mesure simultanée de la chaleur et de l'ionisation qui permet le rejet, par le détecteur lui-même, de plus de 99.9% du bruit de fond gamma résiduel.

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