Les astronomes ne savent pas ce qu'est la matière noire, mais ils savent qu'elle occupe environ 25% de l'Univers. Un puissant détecteur, profondément enfoui dans un puits de mine au Minnesota, pourrait peut-être aller au fond du mystère. Le projet Cryogenic Dark Matter Search II tentera de détecter les particules massives à faible interaction (WIMPS). Ces particules théoriques n'interagissent pas normalement avec la matière, mais la collision rare occasionnelle peut être détectable.
"Il est de plus en plus difficile de s'éloigner du fait qu'il existe une substance qui constitue la majeure partie de l'univers que nous ne pouvons pas voir", explique Cabrera. "Les étoiles et les galaxies elles-mêmes sont comme des lumières d'arbre de Noël sur cet énorme navire qui est sombre et n'absorbe ni n'émet de lumière."
Enfoui profondément sous terre dans un puits de mine au Minnesota se trouve le projet de Cabrera, appelé Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). Le physicien de l'Université de Californie à Berkeley, Bernard Sadoulet, est le porte-parole de l'effort. Dan Bauer de Fermilab est son chef de projet, et Dan Akerib de Case Western Reserve University est le chef de projet adjoint. Une équipe de 46 scientifiques de 13 institutions collabore au projet.
Pour attraper un WIMP
L'expérience est la plus sensible au monde visant à détecter des particules exotiques appelées WIMPS (particules faiblement interagissantes), qui sont l'une des meilleures hypothèses des scientifiques sur ce qui constitue la matière noire. D'autres options incluent les neutrinos, les particules théorisées appelées axions ou même la matière normale comme les trous noirs et les étoiles naines brunes qui sont tout simplement trop faibles pour être vues.
On pense que les WIMPS sont neutres en charge et pèsent plus de 100 fois la masse d'un proton. Pour l'instant, ces particules élémentaires n'existent qu'en théorie et n'ont jamais été observées. Les scientifiques pensent qu'ils ne les ont pas encore trouvés parce qu'ils sont atrocement difficiles à capturer. WIMPS n'interagit pas avec la plupart des matières - les particules timides traversent notre corps - mais CDMS II vise à les attraper dans une rare collision avec les atomes dans les détecteurs spéciaux du projet.
«Ces particules traversent principalement la Terre sans se diffuser», explique Cabrera. "La seule raison pour laquelle nous avons même une chance de voir des événements est parce qu'il y a tellement de particules que très rarement une entre [dans le détecteur] et se disperse."
Les détecteurs sont cachés sous des couches de terre dans la mine Soudan du Minnesota pour les protéger des rayons cosmiques et d'autres particules qui pourraient entrer en collision avec les détecteurs et être confondus avec de la matière noire. En fait, la moitié de la bataille pour les scientifiques travaillant sur CDMS II est de protéger leurs instruments autant que possible de tout sauf WIMPS et de développer des systèmes élaborés pour faire la différence entre la matière noire et les particules plus banales.
«Notre détecteur est cette chose en forme de rondelle de hockey qui doit vivre à 50 millièmes de degré au-dessus du zéro absolu», explique Walter Ogburn, un étudiant diplômé de Stanford qui travaille sur le projet. "Il est difficile de rendre les choses aussi froides."
À cette fin, les instruments sont nichés dans une boîte appelée glacière, doublée de six couches d'isolation, de la température ambiante à l'extérieur à la plus froide à l'intérieur. Cela maintient les détecteurs si froids que même les atomes ne peuvent pas trembler.
Les détecteurs sont constitués de cristaux de silicium solide et de germanium solide. Les atomes de silicium ou de germanium restent immobiles dans un réseau parfait. Si WIMPS s'écrase sur eux, ils se tortilleront et dégageront de minuscules paquets de chaleur appelés phonons. Lorsque les phonons montent à la surface des détecteurs, ils créent un changement dans une couche très sensible de tungstène, que les chercheurs peuvent enregistrer. Un deuxième circuit de l'autre côté du détecteur mesure les ions, les particules chargées qui seraient libérées par la collision d'un WIMP et d'un atome dans le détecteur.
«Ces deux canaux nous permettent de distinguer différents types d'interactions», explique Ogburn. "Certaines choses font plus d'ionisation et d'autres font moins, donc vous pouvez faire la différence de cette façon."
Il faut une escouade de scientifiques dans plusieurs installations pour construire les détecteurs. L’équipe achète les cristaux d’une entreprise extérieure et des chercheurs du Stanford’s Center for Integrated Systems fabriquent des instruments de mesure à la surface des détecteurs. «Nous utilisons les mêmes choses pour les fabriquer que les gens utilisent pour fabriquer des microprocesseurs parce que ceux-ci sont également super petits», explique Matt Pyle, un autre étudiant diplômé du laboratoire de Cabrera.
Des tas d'indices
Un sous-ensemble de WIMPS, appelé neutralinos, sont les particules les plus légères attendues par la supersymétrie, une théorie qui prédit un partenaire pour chaque particule que nous avons déjà observée. Si CDMS II réussit à trouver des neutrinos, ce serait la première preuve de supersymétrie. «La supersymétrie suggère qu'il existe un tout autre secteur de particules qui sont les partenaires de nos particules existantes», explique Cabrera. «Il existe de nombreuses façons dont la supersymétrie semble très probable. Mais il n'y a pas encore de preuve directe pour une paire de particules [supersymétrique] correspondante. "
Les faibles interactions de WIMPS expliquent pourquoi, même si les particules de matière noire ont une masse et obéissent aux lois de la gravité, elles ne s'agglutinent pas dans les galaxies et les étoiles comme la matière normale. Pour s'agglomérer, les particules doivent s'écraser et coller ensemble. Mais le plus souvent, WIMPS volait l'un à côté de l'autre. De plus, comme les WIMPS sont neutres, ils ne forment pas d'atomes, ce qui nécessite l'attraction de protons chargés positivement vers des électrons chargés négativement.
«La matière noire imprègne tout», explique Cabrera. "Il ne s'est tout simplement jamais effondré comme l'ont fait les atomes."
Étant donné que la matière noire n'a jamais formé d'étoiles et d'autres objets célestes familiers, les scientifiques ne savaient pas depuis longtemps qu'elle était là. La première indication de son existence est venue dans les années 1930 lorsque Fritz Zwicky, un astronome suisse-américain, a observé des amas de galaxies. Il a additionné les masses de galaxies et a remarqué qu'il n'y avait pas assez de masse pour tenir compte de la gravité qui devait exister pour maintenir les amas ensemble. Quelque chose d'autre doit fournir la masse manquante, a-t-il déduit.
Plus tard dans les années 1970, Vera Rubin, une astronome américaine, a mesuré la vitesse des étoiles dans la Voie lactée et d'autres galaxies voisines. En regardant plus loin vers les bords de ces galaxies, elle a constaté que les étoiles ne tournent pas plus lentement que les scientifiques s'y attendaient. "Cela n'avait aucun sens", explique Cabrera. "La seule façon dont vous pourriez le comprendre est s'il y avait beaucoup plus de masse que ce que vous avez vu à la lumière des étoiles."
Au fil des ans, de plus en plus de preuves de la matière noire se sont accumulées. Bien que les scientifiques ne sachent pas encore ce que c'est, ils ont une meilleure idée de l'endroit où il se trouve et de sa quantité. «Il reste très peu de marge de manœuvre pour avoir des quantités différentes», explique Cabrera.
«Nous n’avons rien vu qui ressemble à un signal intéressant à ce jour», dit-il. Mais les chercheurs du CDMS II poursuivent la recherche. Il en va de même pour les autres groupes. ZEPLIN, une expérience menée par des physiciens de l'Université de Californie à Los Angeles et de la collaboration sur la matière noire du Royaume-Uni, vise à attraper des WIMP dans des cuves liquides de xénon dans une mine près de Sheffield, en Angleterre. Et au pôle Sud, un projet de l'Université du Wisconsin-Madison appelé IceCube est en cours de construction qui utilisera des capteurs optiques enfouis profondément dans la glace pour rechercher des neutrinos, des particules de haute énergie qui sont les signatures des annihilations WIMP.
Pendant ce temps, CDMS II continue d'évoluer. Ses chercheurs construisent de plus en plus de détecteurs pour augmenter leurs chances de trouver des WIMPS. À l'avenir, l'équipe espère construire un détecteur de 1 tonne qui devrait être en mesure de découvrir bon nombre des types de WIMPS les plus probables, s'ils existent. «Nous prenons des données maintenant avec plus de deux fois plus de masse cible de germanium qu'auparavant, nous explorons donc définitivement de nouveaux territoires en ce moment», explique Ogburn. "Mais il y a beaucoup plus à couvrir."
Source d'origine: communiqué de presse de Stanford
