Chamkaur Ghag est en mission pour trouver les 85% du problème de l'univers que nous n'avons pas encore identifié. Il détaille ses espoirs pour la principale expérience scientifique – et ce que l'avenir pourrait tenir
Chamkaur Ghag est l'un des leaders de l'expérience Lux-Zeplin, un détecteur de matière noire sans égal
Underground profond au milieu du Dakota du Sud, le détecteur de matière noire le plus sensible sur terre attend tranquillement. Il s'agit de l'expérience Lux-Zeplin (LZ), dont la partie centrale est un grand réservoir de xénon liquide. Le physicien Chamkaur Ghag à l'University College de Londres est l'un des dirigeants de l'énorme collaboration scientifique travaillant sur l'expérience. Sa mission est de trouver les 85% de la matière de l'univers que nous n'avons pas encore identifiées.
Aujourd'hui, Ghag et ses collègues chasseurs se tiennent à un tournant dans la recherche de cette substance insaisissable. Il existe des plans lâches pour construire un détecteur appelé XLZD, qui serait plusieurs fois la taille de LZ et encore plus sensible. Mais si ces deux ne pas renient les marchandises, cela obligera les physiciens à reconsidérer ce dont ils pensent que la matière noire est faite. Comme le dit Ghag, cela peut signifier que la prochaine génération de détecteurs de matière noire ne sera pas des géants souterrains, mais des affaires étonnamment petites et humbles. En fait, comme il l'explique avant son prochain discours chez Issues.fr Live en octobre, il a déjà construit un de ces prototypes.
Leah Crane: Tout d'abord, pourquoi la matière noire est-elle si importante?
Chamkaur Ghag: D'une part, nous avons des particules et des atomes et tout ce que la physique des particules nous dit comment les constituants de la matière se réunissent. D'un autre côté, nous avons notre compréhension de la gravité. Il peut sembler que tout est bon, mais si vous essayez de rassembler la gravité et la physique des particules, il y a un gros problème: notre galaxie ne devrait pas être ici. Il se tient avec la gravité qui semble venir de la matière que nous ne pouvons pas voir. Et ce n'est pas seulement une petite colle. Quelque 85% de la matière dans l'univers est cette soi-disant matière noire.
Pourquoi en avons-nous chassé depuis si longtemps et je n'ai rien trouvé?
À l'heure actuelle, nous pensons que la matière noire est probablement faite de ce que nous appelons les WIMP, ou des particules massives en interaction faiblement, qui sont nés dans le début de l'univers. Si c'est le cas, il n'interagirait que très rarement avec d'autres particules et même pour dégager une signature extrêmement faible. Nous avons donc besoin d'énormes détecteurs. Plus ils sont grands, meilleures sont les chances qu'une particule de matière noire qui le traverse interagisse. Et ils doivent être vraiment silencieux afin qu'ils puissent être sensibles aux minuscules recul de particules frappés par la matière noire si elle interagit – même la moindre vibration pourrait masquer le signal.
Nous parlons d'un espace de phase théorique pour la matière noire, ce qui signifie la gamme de masses et de propriétés possibles que ce genre de choses pourrait avoir. Nous avons déjà exclu une partie de cet espace. Nous devons donc continuer à approfondir underground, avec des détecteurs de plus en plus grands, pour aborder la terre promise: l'espace de phase théorique où des particules de matière noire pourraient encore exister.
C'est un métier ridiculement minutieux. Avec notre détecteur, nous avons dû nous assurer qu'il n'y avait presque pas de bruit de fond. Par exemple, la plupart des métaux produisent de minuscules quantités de radioactivité, nous avons donc dû travailler dur pour minimiser ce problème dans nos matériaux de construction. LZ est le bruit de fond le plus bas, la plupart des instruments radio-pure sur la planète.
Donc, LZ est le détecteur le plus sensible que nous ayons en ce moment – comment cela fonctionne-t-il?
Essentiellement, il s'agit d'un ballon à double paroi à deux mètres de large et de quelques mètres de haut qui contient 7 tonnes de xénon liquide. Dans ce ballon, le xénon est dans un baril hautement réfléchissant, et il est vu du haut et du bas par des capteurs lumineux. Et puis il y a une touche finale: nous avons un champ électrique sur ce baril. Si une mauviette entre et frappe un noyau de xénon, il produirait un petit éclair de lumière, quelques photons. Mais parce que nous avons un champ électrique, nous éloignons les électrons (libérés dans la collision) du noyau, et produisons également un flash séparé et plus brillant.
Cela signifie que tout ce qui se passe dans notre détecteur nous donne deux signaux légers. Où cela se produit nous indique la position de l'événement, puis la quantité de lumière du flash primaire par rapport au flash secondaire nous dit la microphysique de savoir si c'était une mauviette qui est entrée et a frappé le noyau ou autre chose, comme dire un rayon gamma. Nous avons tout un mile sous terre pour se protéger des rayons cosmiques, puis nous l'avons dans un réservoir d'eau pour le protéger de la roche elle-même.
C'est une entreprise tellement compliquée. Quelle a été la partie la plus difficile pour le faire fonctionner?
Il y avait une expérience de prédécesseur similaire et plus petite appelée Lux et nous savions ce que nous devions faire pour obtenir l'instrument 10 fois plus sensible. En fait, le faire était difficile, s'il était satisfaisant. Pour moi, la partie la plus difficile était de s'assurer que l'instrument était aussi propre et silencieux que nécessaire. Si vous prenez LZ et que vous le dépliez, c'est énorme, c'est une zone de la taille d'une hauteur de football et nous ne pouvons tolérer qu'un seul gramme de poussière sur toute cette surface.
Qu'est-ce que ça fait de travailler dans ce détecteur ultra-nettoyé jusqu'à présent sous terre?
C'est une ancienne mine d'or, donc il y a cet environnement très industriel. Vous mettez vos casques et vous descendez un mile, puis il y a un peu de randonnée vers le laboratoire. Une fois que vous êtes dans le laboratoire, vous pouvez oublier où vous êtes. Ensuite, vous êtes dans le costume de la salle propre et ses ordinateurs et ses équipements et ainsi de suite – c'est juste un laboratoire sans fenêtre. Mais le voyage en bas est en quelque sorte un autre monde.
Le détecteur extérieur de l'expérience Lux-Zeplin
Jusqu'à présent, les WIMP ont été le candidat dominant pour la matière noire. Mais personne ne repérant encore aucune preuve d'eux, à quel moment disons-nous que les WIMP sont morts?
Je pense que si nous atteignons le point où XLZD, le plus grand détecteur que nous avons prévu, a été construit et ne les a pas vus. Si nous devons explorer au-delà de la gamme de cet instrument, il devient difficile pour que la tasse de biscuit standard existe. Mais jusqu'à ce moment, ils sont toujours fous vivants. Ce territoire entre ce que nous avons exploré jusqu'à présent et où XLZD obtiendra, c'est le truc amusant.
Vous avez développé un détecteur complètement différent et beaucoup plus petit pour la matière noire. Parlez-nous à ce sujet.
Ce que nous avons, c'est une perle en verre à 150 nanomètres que nous lévitons avec des lasers afin qu'il agisse comme un détecteur de force très sensible. Ce qui est bien, c'est que nous pouvons dire s'il se déplace dans l'une des trois dimensions. Donc, nous pouvons dire: «OK, quelque chose l'a cinglé dans une direction particulière». C'est génial, car cela signifie que maintenant vous pouvez commencer à exclure tous vos antécédents terrestres, comme la désintégration radioactive des matériaux sous terre.
C'est tout un départ des énormes détecteurs comme LZ. Quelle est la raison d'être de la construction qui – et verrons-nous plus de petits détecteurs?
Les grandes expériences souterraines sont énormes, elles sont donc super sensibles – mais dans un sens, le fait qu'ils soient si grands limitent en fait leur sensibilité. Disons que chaque fois qu'une particule de matière noire frappe mon détecteur de xénon, il produit 10 photons. Je peux facilement détecter tous ceux-ci si mon réservoir de xénon est petit, mais si j'ai un énorme réservoir, ils doivent rebondir partout et je ne pourrais en attraper que trois.
Maintenant, imaginons que chaque fois qu'une particule de matière noire frappe mon détecteur, elle ne produit que deux photons en premier lieu. Dans ce scénario, le signal maximal que vous pouvez obtenir à partir d'un détecteur semblable à LZ diminue. C'est pourquoi il y a maintenant une poussée pour rechercher des particules de matière noire de masse inférieure qui sont en dehors de la gamme de LZ – et cela signifie se tourner vers d'autres types de détecteurs.
Disons que nous trouvons réellement la matière noire. Qu'est-ce que cela signifie pour la physique et l'univers?
Il résout deux problèmes. C'est l'évidence: qu'est-ce qui manque 85% de la question dans notre univers? Mais cela ferait cela d'une manière qui n'implique pas le modèle standard de physique des particules, notre liste essentielle des éléments constitutifs de la réalité. Donc, si vous trouvez la matière noire, vous avez votre premier aperçu à l'extérieur de ce modèle. Nous n'avons pas encore de preuve solide pour quelque chose de spécifique en dehors du modèle standard – rien du tout. Ce serait ce premier faisceau de lumière dans la pièce.
