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Nouvelles scientifiques

 

Paris, le 1er juin 2010

 

Xenon100 : du nouveau sur la matière noire

 

Les physiciens de la collaboration Xenon100, parmi lesquels ceux de l’IN2P3/CNRS(1), ont déterminé avec une précision inégalée le domaine des masses dans lequel les Wimps (Weakly interacting massive particles), particules qui pourraient expliquer en partie la nature de la matière noire de l'Univers, seraient susceptibles d’interagir avec la matière. Ces résultats ont été soumis à la revue Physics Review Letters en mai 2010.

 

Les observations et les études de notre Univers à toutes les échelles ont confirmé qu’une forme de matière invisible continue à façonner les structures cosmiques que nous voyons aujourd’hui, de notre propre galaxie jusqu’aux amas de galaxies. Bien que les scientifiques pensent que cette matière noire représente environ 83% de toute la matière présente dans l’Univers, son identité reste inconnue. La mise en évidence de la nature et des propriétés de la matière noire est d’une importance fondamentale. Elle est actuellement l’objet de recherches approfondies avec des approches et des méthodes variées.

Les extensions du Modèle standard de la physique des particules suggèrent que la matière noire pourrait être constituée de nouvelles particules élémentaires dont la masse serait comparable à celle des noyaux atomiques et qui auraient une probabilité très faible d’interaction avec la matière. De telles particules, connues sous le nom générique de Wimps (Weakly interacting massive particles), seraient présentes sous la forme d’un gigantesque nuage situé autour du disque visible de notre galaxie. La Terre, avec le Soleil, se déplaçant à travers ce nuage dans son voyage autour du centre galactique, les Wimps pourraient alors occasionnellement entrer en collision avec des noyaux atomiques dans un détecteur terrestre, déposant une infime quantité d’énergie qui serait détectable grâce à des systèmes ultra-sensibles.

Les mesures effectuées par Xenon100 proviennent des 11 premiers jours d’exposition pendant la période d’octobre à novembre 2009. Il s’agit d’un nouveau record mondial sur les limites supérieures du taux d’interaction des Wimps dans le domaine des masses : jusqu’à 80 fois la masse du proton.

L’expérience Xenon100 utilise environ 60 kg de xénon liquide comme cible de détection. Le liquide, maintenu à une température d’environ -90°C, est contenu dans une cuve en acier inoxydable équipée d’un système cryogénique qui maintient les conditions de fonctionnement avec une excellente stabilité. Ce détecteur, situé au Laboratoire Souterrain du Gran Sasso (LNGS) en Italie, est protégé des rayonnements cosmiques par 1400 mètres de roche dolomite. Il est en outre protégé de la radioactivité naturelle présente dans le laboratoire par 100 kg de xénon liquide actif, et par un blindage passif constitué de plomb, d’eau et de polyéthylène.

Les particules interagissant dans le volume de xénon liquide produisent une lumière de scintillation et des charges électriques qui sont ensuite collectées sous l’effet d’un champ électrique appliqué et qui, lors de l’accélération finale dans la phase gazeuse située au-dessus de la phase liquide, produisent un signal lumineux secondaire et décalé en temps. Les deux signaux primaire et secondaire sont détectés à l’aide de deux réseaux de photodétecteurs, l’un situé dans la phase liquide, l’autre dans la phase gazeuse. La mesure simultanée de ces deux signaux permet de déduire l’énergie et les coordonnées spatiales de l’interaction de la particule, fournissant des informations importantes sur sa nature. En particulier, le rapport des deux signaux, ainsi que la localisation précise dans le volume, sont utilisés pour distinguer du bruit de fond les signaux correspondant potentiellement à des Wimps.

L’expérience Xenon100 a été construite et installée au LNGS en 2008. Le détecteur a été soigneusement étalonné à l’aide de diverses sources radioactives émettant des rayonnements gammas et des neutrons et les données obtenues lors de la phase de validation de l’expérience ont déjà démontrées que le niveau de bruit de fond recherché a été atteint. Xenon100 est actuellement l’expérience de recherche de matière noire possédant le plus bas bruit de fond. La phase de recherche de matière noire a démarré en janvier 2010 et les données qui pourraient contenir un signal WIMP sont occultées dans le but d’une analyse finale "en aveugle". Plus de 100 jours de données effectifs ont ainsi d’ores et déjà été accumulés et la prise de données continue actuellement dans des conditions stables.

Xenon100 est une collaboration internationale regroupant les États-Unis, la Suisse, la France, l’Allemagne, le Portugal, l’Italie et la Chine.

L’équipe française impliquée dans Xenon100 est localisée au laboratoire Subatech(1) à Nantes. Ses recherches portent sur les propriétés du xénon liquide aussi bien dans le champ du fondamental, telle la recherche de matière noire, que dans celui de l’appliqué, notamment autour de l’imagerie médicale.

 

 

Chambre à projection temporelle de Xenon100. Crédit : Collaboration Xenon100

 

(1) Laboratoire Subatech (CNRS/École des Mines de Nantes/Université de Nantes)

 

Contact chercheur

  • Dominique Thers, Tél : 02 51 85 84 03
  • Jean-Pierre Cussonneau, Tél : 02 51 85 84 31
  • Jacob Lamblin, Tél : 02 51 85 84 47
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