La substance mystérieuse appelée Dark Matter est intrinsèquement invisible. Il ne peut pas être directement observé – de la suite, sa présence est déduite par son influence gravitationnelle sur l'univers, comme la liaison des grappes de galaxies et déplacer les étoiles autour de leur galaxie plus rapidement qu'elles ne le devraient.
Mais de nouvelles recherches publiées dans Lettres d'examen physique Utilise un « appareil photo » pour rechercher des interactions de matière noire, sondant ainsi la nature de ce truc insaisissable.
Une hypothèse est que la matière noire est faite de particules encore inconnues qui sont soumises à la force gravitationnelle mais interagissent extrêmement faiblement avec la matière ordinaire, explique l'Université de Chicago Prof. Paolo Privitera, le porte-parole du DAMIC-M (Dark Matter in CCDS at Modane) Collaboration internationale, qui a mené l'étude.
Au cours des dernières décennies, la recherche de particules de matière noire s'est concentrée sur les WIMP, ou à interagir faiblement des particules massives, considérée comme beaucoup plus lourde qu'un proton.
« Mais les WIMP n'ont pas été trouvées jusqu'à présent, malgré les recherches extrêmement sensibles par d'énormes détecteurs pesant une tonne, y compris le travail de mon collègue Luca Grandi avec Xenonnnt », a déclaré Privitera.
Les expériences dans les accélérateurs de particules les plus avancés, y compris l'expérience de l'ATLAS au grand collisionneur de hadrons au CERN, n'ont également pas réussi à trouver des WIMP.
Les astrophysiciens élargissent désormais la recherche à des particules plus légères, ce qui nécessite des instruments exceptionnellement sensibles car les signaux produits par des particules aussi faibles de masse à faible énergie seraient presque impossibles à détecter.
L'expérience Damic-M recherche ces signaux insaisissables à 5 000 pieds sous la surface des Alpes françaises. Bien qu'il n'ait pas trouvé de matière noire dans sa course initiale, l'expérience a été en mesure d'exclure plusieurs candidats de ce genre connus sous le nom de matière noire de « secteur caché ».
Détecteur de secteur caché
Les détecteurs de matière noire sont conçus autour de la prémisse que les particules de matière noire se heurteront, en très rares occasions, entreront en collision avec un noyau dans l'un des atomes du détecteur. Le recul du noyau peut émettre des électrons légers, secouer des électrons ou secouer le réseau de l'atome, produisant un signal.
Une particule de matière noire légère est beaucoup plus difficile à détecter que lourde.
« Une particule lourde frappant un noyau est comme une boule de bowling frappant une autre boule de bowling – elle donnera un élan considérable », a déclaré Privitera. « Une particule légère frappant un noyau serait comme une balle de ping-pong frappant une boule de bowling. Cela ne le déplacerait pas du tout. »
Cependant, la matière noire du secteur caché interagirait avec les électrons, qui sont des milliers de fois moins massifs qu'un noyau.
« Maintenant, c'est comme une balle de ping-pong frappant une autre balle de ping-pong », a déclaré Privitera.
Un instrument suffisamment sensible pour détecter des électrons simples serait idéal pour rechercher la matière noire du secteur caché.
L'expérience DAMIC-M utilise des dispositifs à couplage de charge, ou CCDS, pour atteindre une sensibilité et une résolution sans précédent. Les CCD scientifiques standard sont des dispositifs sensibles à la lumière qui convertissent les photons en charges électriques, qui sont ensuite transformées en image numérique.
Ils servent de «caméra» des télescopes astronomiques. Les CCD sont également capables de « imaginer » les interactions de particules, qui laissent une trace de charges électriques dans l'appareil.
Les CCD DAMIC-M sont beaucoup plus épais pour maximiser la masse du détecteur pour les interactions de particules de matière noire. Les CCD spéciaux de l'expérience sont également capables de lire le skipper, une innovation qui permet aux chercheurs de compter les électrons individuellement. L'équipe recherche des pixels ou des grappes de pixels adjacents avec seulement quelques électrons – indiquant potentiellement une interaction de matière noire.
Ces collisions sont extrêmement rares et pourraient être masquées par les signaux provenant de sources de fond, telles que les fluctuations thermiques naturelles du matériau du détecteur. Pour aider à minimiser cela, les CCD DAMIC-M sont exploités à -220 ° F.
Pour atténuer les effets du rayonnement externe, le détecteur est protégé par plusieurs couches de blindage. Situé au Laboratoire Souterrain de Modane sous les Alpes françaises, le détecteur est abrité des rayons cosmiques de plus de 5 000 pieds de roche. Pour réduire les antécédents des éléments radioactifs naturels trouvés dans les murs de la caverne, les CCD sont entourés de plomb.
« Fait amusant », a déclaré Privitera, « nous utilisons une ancienne plomb, à partir d'un navire romain coulé et d'un galion espagnol, car ses contaminants radioactifs se sont déjà décomposés. »
Pour cette étude, l'équipe a construit un prototype – la chambre de fond basse, hébergeant deux modules CCD et ne pesant que 26 grammes – et a pris plusieurs milliers de « photographies » sur deux mois et demi. Ils ont ensuite recherché ces images des grappes de pixels suggérant des interactions de matière noire.
L'équipe a trouvé 144 clusters avec deux électrons et un seul groupe de quatre électrons – des résultats compatibles avec les arrière-plans attendus.
« Ainsi, nous n'avons pas encore découvert de matière noire », a déclaré Privitera, bien qu'il ait ajouté que les résultats sont « des ordres de grandeur plus sensibles que toute autre expérience, une réalisation notable si l'on considère qu'ils ont été obtenus avec un prototype de détecteur et une petite masse ».
Au fur et à mesure que la recherche se poursuit, l'absence d'un signal d'interaction de matière noire a des implications profondes pour la nature de la matière noire.
«Gel-in» ou «gel-out»
Dans un potentiel, un scénario simplifié de l'évolution de l'univers après le Big Bang, la matière noire et la matière ordinaire commencent à l'équilibre et se transforment les uns dans les autres à des taux égaux.
À mesure que l'univers se dilate et se refroidit, il devient de plus en plus difficile pour les particules ordinaires de se rencontrer mutuellement et de créer une matière noire, ce qui nécessite une collision à haute énergie.
Cependant, il ne faut aucune énergie pour que les particules de matière noire se rencontrent et se détruisent, se transformant en matière ordinaire, de sorte que l'abondance de matière noire diminuerait rapidement après le Big Bang. Finalement, les particules de matière noire deviennent également trop étalées pour s'engager et la quantité se stabilise à ce que nous mesurons aujourd'hui. Ce scénario est connu sous le nom de «gel» de la matière noire.
Dans un autre scénario possible, les particules de matière noire interagissent si faiblement que les matières sombres et ordinaires ne sont jamais en équilibre. En rares occasions que la matière noire est produite par les interactions de matière ordinaire, elle ne se transforme pas et augmente en abondance.
La production de matière noire, comme pour le scénario de congélation, est limitée par l'expansion de l'univers, de sorte que la quantité de matière noire se stabilise finalement à la quantité mesurée aujourd'hui. Ce scénario est connu sous le nom de «gel» de la matière noire.
Les scénarios de gel et de congélation restreignent les propriétés de la matière noire – en particulier sa probabilité de masse et d'interaction – et les théoriciens ont prédit les propriétés selon lesquelles la matière noire du secteur caché doit être compatible avec les scénarios de congélation.
« Ces prédictions théoriques sont désormais sondées pour la première fois par le résultat NULL DAMIC-M », a déclaré Privitera.
Pour le scénario de congélation, une relation stricte existe entre la quantité de matière sombre aujourd'hui et sa probabilité d'interaction. Cette contrainte permet aux chercheurs de faire des prévisions claires de la probabilité d'une particule candidate d'interagir avec les électrons du détecteur et de produire un signal.
Parce que l'équipe n'a pas détecté de signaux, l'expérience exclut complètement plusieurs candidats au secteur caché – ils n'existent pas.
Mais pour le scénario de congélation, une absence de signal n'exclut définitivement pas l'existence de ce candidat.
« Le fait que nous n'ayons pas trouvé de matière noire dans nos données exclut que les particules du secteur caché constituent l'intégralité de la matière noire dans l'univers », a déclaré Privitera.
Pourtant, si la matière noire du secteur caché existe, cela pourrait être une fraction de toute la matière noire, avec quelque chose d'autre comprenant le reste.
Étendue
Après le succès du prototype de chambre à bas de fond, l'appareil Damic-M complet devrait commencer la collecte de données en 2026.
Le détecteur à grande échelle aura plus de chances de capturer une interaction rare, ont déclaré les scientifiques, et les antécédents diminueront considérablement en raison d'un meilleur blindage et moins de contaminants radioactifs dans les matériaux de l'appareil.
« Notre cible est toujours la matière noire du secteur caché, que nous pouvons trouver en composant une fraction de toute la matière noire, mais aussi des Wimps et d'autres candidats », a déclaré Privitera. « Nous nous attendons à ce que Damic-M soit la principale expérience de la recherche de ces particules de matière noire de faible masse pendant plusieurs années à venir. »
