Les résultats de la première observation de XENON1T, le détecteur de particules de matière noire le plus performant jamais construit sur Terre, ont été révélés ce 18 mai 2017. « Le meilleur résultat sur la matière noire jusqu'à présent !... et nous venons de commencer ! ». C'est ainsi que la collaboration internationale XENON, basée au Laboratoire national du Gran Sasso (LNGS) en Italie, et à laquelle participent les équipes de recherche de Subatech et du LPNHE, a dévoilé ce premier résultat à la communauté scientifique internationale après une trentaine de jours d’observation. Ces premiers résultats ouvrent une nouvelle page dans la recherche de cette mystérieuse matière noire.
La matière noire est l'un des constituants fondamentaux de l'Univers, cinq fois plus abondante que la matière ordinaire. Plusieurs mesures astronomiques corroborent aujourd’hui son existence alors qu’en parallèle son observation directe sur Terre confirmerait son existence et pourrait même mettre en lumière ses propriétés. L’effort expérimental est mondial autour de l’objectif de signer sa présence en observant directement les interactions des particules élémentaires de matière noire avec la matière ordinaire dans des détecteurs extrêmement sensibles. Cependant, ces interactions sont si faibles qu'elles ont, jusqu’à présent, échappé à la détection directe, obligeant les scientifiques à construire des détecteurs de plus en plus imposants.
La collaboration XENON, qui avec XENON100 avait déjà rapporté d’excellents résultats par le passé, est maintenant de retour sur la ligne de front avec XENON1T. Le résultat d'une première observation sur une trentaine de jours montre que le bruit de fond de ce détecteur est exceptionnellement faible, de plusieurs ordres de grandeur au-dessous de celui qui serait associé à la radioactivité naturelle des matériaux de l’environnement terrestre. Avec une masse totale d'environ 3200 kg, XENON1T est en même temps le plus grand détecteur de ce type jamais construit. La combinaison d'une taille considérablement accrue et d’un bruit de fond si faible se traduit par un excellent potentiel de découverte dans les années à venir.
Le détecteur XENON1T dans les sous-sols du LNGS ©Enrico Sacchetti/XENON Collaboration
La collaboration XENON se compose de 135 chercheurs internationaux: Allemagne, Emirats Arabes Unis, États-Unis, France, Israël, Italie, Pays-Bas, Portugal, Suède et Suisse y partagent leurs effectifs. Le dernier détecteur de la famille XENON est en opération au Laboratoire national du Gran Sasso (LNGS), en Italie, depuis l'automne 2016. Le détecteur central XENON1T, de la famille des chambres à projection temporelle au xénon liquide (LXeTPC), se trouve dans un cryostat au milieu d'un gigantesque réservoir d'eau ultra pure, entièrement immergé, afin de le protéger autant que possible de la radioactivité naturelle provenant de la caverne. Le cryostat permet de garder le xénon à une température de -95 °C sans geler l'eau environnante.
La montagne au-dessus du laboratoire protège encore plus le détecteur, ce qui l'empêche d'être perturbé par les rayons cosmiques. Mais ce blindage externe n’est pas suffisant, car tous les matériaux sur Terre contiennent de minuscules traces de radioactivité naturelle. Ainsi, un soin extrême a été pris pour trouver, sélectionner et traiter les matériaux composant le détecteur afin d’aboutir à un contenu radioactif intrinsèque le plus bas possible. Laura Baudis, professeur à l'Université de Zürich et Manfred Lindner, professeur de l'Institut Max-Planck pour la Physique nucléaire à Heidelberg, soulignent que cela a permis à XENON1T d'obtenir un «silence» record, incontournable pour pouvoir capter le "son" si faible de la matière noire dans un aussi grand volume de matière ordinaire.
Assemblage de la chambre de porjection temporelle du détecteur XENON1T ©Enrico Sacchetti/XENON Collaboration
Une interaction de particules dans le xénon liquide entraîne de petits éclairs de lumière. C'est ce que les scientifiques de XENON enregistrent et étudient pour déduire la position et l'énergie de la particule qui interagit, mais aussi pour éventuellement identifier si la particule pourrait être de la matière noire. L'information spatiale permet de sélectionner des interactions se produisant dans le noyau central de 1 tonne au cœur du détecteur. Tout autour, le xénon environnant protège encore plus la cible centrale des minuscules contaminations résiduelles radioactives présentes dans la matière utilisée pour construire le détecteur.
En dépit de la brièveté de la première exposition qui n’a duré qu’une trentaine de jours, la sensibilité de XENON1T a déjà dépassé celle de toutes les autres expériences, sondant des territoires inexplorés et où la matière noire aurait pu être présente. "Les WIMP n’ont pas été révélés dans cette première recherche avec XENON1T, mais nous ne les attendions pas si tôt", déclare Elena Aprile, professeur à l'Université de Columbia et porte-parole de la collaboration. "La meilleure nouvelle est que l'expérience continue d'accumuler d'excellentes données qui nous permettront de tester bientôt l'hypothèse de WIMP dans une région de masse et de section efficace d’interaction avec des atomes comme cela n’a jamais pu être exploré auparavant. Une nouvelle ère pour détecter enfin la présence de matière noire avec des détecteurs massifs contenant un bruit de fond ultra-bas vient de débuter sur Terre avec XENON1T. Nous sommes si fiers d’ouvrir cette exploration avec ce détecteur incroyable, le premier de son genre."
____________