Il y a presque 20 ans, l'expérience DAMA/LIBRA au Laboratoire national italien du Gran Sasso—LNGS a commencé à publier des données montrant qu'il avait détecté une modulation de signal produite par une interaction avec le halo de matière noire de la Voie lactée.

On pense que la matière noire constitue environ 27 pour cent de l'univers connu, la matière ordinaire ne représentant que 4 pour cent. On pense que les 69 % restants sont constitués d'énergie noire. Parce que la matière noire interagit faiblement avec la matière normale, sa présence n'a jusqu'à présent été déduite que des effets gravitationnels sur les corps visibles tels que les étoiles, galaxies et amas de galaxies.

Selon le modèle le plus répandu, le mouvement combiné de la Terre, le soleil et la galaxie elle-même entraînent un vent de matière noire pour un observateur sur Terre, plus précisément, un vent de particules massives à faible interaction ou WIMPs, particules hypothétiques que l'on pense constituer de la matière noire.

Au cours de l'orbite annuelle de la Terre autour du soleil, les signaux provenant de l'interaction du détecteur avec les WIMPs augmentent lorsque la planète se déplace dans la direction opposée au vent et diminuent lorsqu'ils se déplacent tous les deux dans la même direction. La fluctuation a une forme de cosinus.

Le personnel de DAMA/LIBRA déclare avoir détecté des signaux à des fréquences qui varient selon une onde cosinusoïdale au cours de l'année et qu'ils correspondent à une signature de matière noire. Le problème est qu'aucune de ces signatures n'a été confirmée par d'autres expériences depuis que cela a été annoncé pour la première fois. Il convient de souligner que d'autres expériences utilisent des matériaux et des techniques analytiques différents.

Pour vérifier l'écart entre les données de DAMA/LIBRA et les données d'autres expériences et pour rechercher des preuves solides de matière noire, COSINE-100 a été construit à 700 mètres sous terre au laboratoire souterrain de Yangyang—Y2L en Corée du Sud.

Un article présentant les résultats des 59,5 premiers jours de données de COSINE-100 a été publié en décembre 2018 dans la revue La nature .

Nelson Carlin Filho, Professeur à l'Institut de Physique de l'Université de São Paulo (IF-USP) et deux supervisés constituent la participation brésilienne à la collaboration internationale COSINE-100. "Les résultats des 59,5 premiers jours de COSINE-100 n'ont pas confirmé les données de DAMA/LIBRA. Les résultats obtenus ne correspondent pas à une signature de WIMPs, " a-t-il dit. Carlin a souligné que cette découverte négative est particulièrement importante parce que DAMA/LIBRA et COSINE-100 utilisent des détecteurs faits de cristaux d'iodure de sodium (Nal). " C'est la première découverte publiée pour un détecteur comprenant ce matériau avec une taille et une sensibilité suffisantes. pour étudier la région du signal DAMA/LIBRA, " il a dit.

"Nous ne disons pas que les chercheurs de DAMA/LIBRA se sont trompés. Ils ont peut-être capturé une modulation périodique dans les signaux réels. Cependant, à moins que le modèle de matière noire ne soit significativement modifié, les signaux sont très peu susceptibles d'être attribués à des interactions avec des WIMPs. En tout cas, notre travail ne fait que commencer. Plusieurs années de données seront nécessaires avant que la modulation annuelle revendiquée par DAMA/LIBRA puisse être totalement confirmée ou réfutée."

Le détecteur COSINE-100 est composé de huit cristaux d'iodure de sodium dopé au thallium d'une masse totale de 106 kg. Chaque cristal est couplé à deux tubes photomultiplicateurs pour mesurer la quantité d'énergie déposée dans le cristal. L'ensemble du tableau est immergé dans 2, 200 litres de scintillateur liquide et entouré de cuivre, panneaux scintillateurs en plomb et en plastique.

L'intérêt de tout ce blindage – ainsi que la décision d'installer le détecteur à 700 mètres sous terre – est de réduire les perturbations causées par les rayons cosmiques (muons), rayonnement de fond cosmique (photons restant de l'univers primordial, détecté dans la bande des micro-ondes), et les particules émises par les matériaux qui composent le détecteur.

"La probabilité d'observer des interactions entre les particules de matière noire et le matériau du détecteur est infime. Outre le blindage, il est important d'analyser la forme des signaux afin d'éliminer les contributions de fond, " dit Carline.

Basé sur un traitement statistique très sophistiqué utilisant le modèle standard du halo de matière noire, avec des simulations Monte Carlo et d'autres ressources, COSINE-100 a défini une courbe considérée comme la « limite d'exclusion » pour les interactions entre les WIMPs et les noyaux dans le matériau détecteur.

Cette limite a corroboré et affiné les limites établies par les expériences précédentes. La courbe a été tracée en utilisant un système de coordonnées cartésiennes à deux dimensions. Les sections efficaces de diffusion WIMP-nucléon sont indiquées sur l'axe Y, représenter de manière simpliste la probabilité d'interactions, tandis que la masse WIMP est indiquée sur l'axe X.

Tout événement dont les coordonnées peuvent être tracées en dessous de la limite d'exclusion est une interaction candidate WIMP-nucléon. Tout événement situé au-dessus ne remplit pas les conditions nécessaires à une interaction conforme au modèle.

"Les signaux DAMA/LIBRA sont au-dessus de la limite d'exclusion. Notez qu'en plus d'utiliser des détecteurs faits du même matériau que DAMA/LIBRA [cristaux d'iodure de sodium], COSINE-100 a également utilisé des techniques de sélection d'événements similaires. Cela a minimisé les écarts dans les résultats dus aux différences dans les expériences. Nous n'avons pas trouvé de matière noire et nous avons découvert que les mesures DAMA/LIBRA ne sont pas cohérentes avec le modèle standard pour le halo de matière noire, " dit Carline.

Théories sur la matière noire

Il y a maintenant un large consensus dans la communauté scientifique sur l'existence de la matière noire. La première preuve a été trouvée en 1933 dans les études des vitesses de rotation galactiques par l'astronome suisse Fritz Zwicky (1898-1974).

Zwicky s'est rendu compte que les vitesses de rotation galactiques étaient plus rapides qu'elles n'auraient dû l'être selon la masse lumineuse observée et a proposé que la contribution gravitationnelle d'un autre type de matière, qu'il appelait « dunkle materie » (« matière noire » en allemand), doit affecter ces vitesses.

Dans les années 1970, L'astronome américaine Vera Rubin (1928-2016) a confirmé l'hypothèse de Zwicky dans une étude systématique des vitesses de rotation galactiques. les calculs rigoureux de Rubin, confirmé par des recherches ultérieures, ont montré que les galaxies concernées doivent contenir au moins cinq à dix fois plus de matière noire que la matière normale.

Aujourd'hui, basé sur les vitesses de rotation galactiques et d'autres preuves telles que la lentille gravitationnelle, proposé pour la première fois par Einstein, et le rayonnement micro-ondes de fond, les proportions acceptées pour la composition de l'univers sont d'environ 4 pour cent de matière normale, 27% de matière noire et 69% d'énergie noire.

Si l'existence de la matière noire est largement acceptée; il s'agit maintenant de déterminer de quoi il est fait. Le modèle basé sur WIMP est toujours le modèle le plus largement accepté. On pense que de telles particules n'interagissent avec la matière normale que par la gravité et la force nucléaire faible. C'est probablement la raison pour laquelle ils n'ont pas été systématiquement détectés. L'incapacité à détecter les WIMPs a conduit les scientifiques à proposer des alternatives telles que les axions et les photons sombres.

"Rien n'empêche la matière noire d'être composée de plusieurs éléments différents, " a déclaré Carlin. " Il reste beaucoup de travail à faire. Dans notre cas, COSINE-100 fait encore ses premiers pas. L'étape suivante, ce qui est très important, est d'essayer de reproduire la modulation annuelle ou de prouver qu'elle ne peut pas être reproduite. C'est effectivement en cours en ce moment. Nous préparons également la phase deux de l'expérience, COSINE-200, avec 200 kg de cristaux, être installé sur un autre site en Corée du Sud."