Dans une mine d'or abandonnée à un mille sous Lead, Dakota du Sud, le cosmos se calme suffisamment pour potentiellement entendre les faibles murmures de la matière la plus insaisissable de l'univers, la matière noire.

À l'abri du déluge de rayons cosmiques qui inondent constamment la surface de la Terre, et nettoyé des métaux et des gaz radioactifs bruyants, la mine, les scientifiques pensent, sera le cadre idéal pour l'expérience sur la matière noire la plus sensible à ce jour. Connu sous le nom de LUX-ZEPLIN, l'expérience sera lancée en 2020 et écoutera une rare collision entre une particule de matière noire et 10 tonnes de xénon liquide.

Dix scientifiques de l'Université du Wisconsin-Madison sont impliqués dans la conception et le test du détecteur, et font partie d'une équipe de plus de 200 chercheurs de 38 institutions dans cinq pays travaillant sur le projet. Ce mois-ci, le ministère de l'Énergie a approuvé la poursuite des étapes finales d'assemblage et de construction de LZ à l'installation de recherche souterraine de Sanford dans le Dakota du Sud, avec un coût total du projet de 55 millions de dollars. Un soutien supplémentaire vient de collaborateurs internationaux au Royaume-Uni, Corée du Sud et Portugal, ainsi que la South Dakota Science and Technology Authority. L'objectif des chercheurs est de mettre l'expérience en ligne le plus rapidement possible pour participer à une course mondiale pour être le premier à détecter la matière noire.

Dans les années 1930, alors que les astronomes étudiaient la rotation des galaxies lointaines, ils ont remarqué qu'il n'y avait pas assez de matière - étoiles, planètes, gaz chaud - pour maintenir les galaxies ensemble par gravité. Il devait y avoir une masse supplémentaire qui a aidé à lier tout le matériel visible ensemble, mais c'était invisible, disparu.

Matière noire, les scientifiques croient, comprend cette masse manquante, contribuant à un puissant contrepoids gravitationnel qui empêche les galaxies de s'envoler. Bien que la matière noire se soit avérée jusqu'à présent indétectable, il peut y en avoir beaucoup, environ cinq fois plus que la matière ordinaire.

« Des particules de matière noire pourraient être juste ici dans la pièce et traverser votre tête, peut-être de temps en temps en heurtant l'un de vos atomes, " dit Duncan Carlsmith, professeur de physique à l'UW-Madison.

Une explication proposée pour la matière noire est l'interaction faible des particules massives, ou WIMPs, particules qui passent généralement inaperçues à travers la matière normale mais qui peuvent, à l'occasion, cogner dessus. L'expérience LZ, et projets similaires en Italie et en Chine, sont conçus pour détecter - ou exclure - les WIMPs dans la recherche pour expliquer ce matériel fantomatique.

Le détecteur est configuré comme une énorme cloche capable de sonner en réponse au moindre coup d'une particule de matière noire. Nichée dans deux chambres extérieures conçues pour détecter et éliminer les particules contaminantes se trouve une chambre remplie de 10 tonnes de xénon liquide. Si un morceau de matière noire se heurte à un atome de xénon, le xénon va entrer en collision avec ses voisins, produisant un éclat de lumière ultraviolette et libérant des électrons.

Quelques instants plus tard, les électrons libres vont exciter le gaz xénon en haut de la chambre et en libérer un second, éclat de lumière plus brillant. Plus de 500 tubes photomultiplicateurs surveilleront ces signaux, qui, ensemble, peuvent faire la distinction entre une particule contaminante et de véritables collisions de matière noire.

Kimberly Palladino, professeur adjoint de physique à l'UW-Madison, et l'étudiant diplômé Shaun Alsum faisaient partie de l'équipe de recherche de LUX, le prédécesseur de LZ, qui définit des enregistrements à la recherche de WIMPs. Forts de leur expérience de l'expérience précédente, Palladin, Alsum, l'étudiant diplômé Jonathan Nikoleyczik et des chercheurs de premier cycle effectuent des simulations de collisions de matière noire et réalisent un prototype du détecteur de particules pour augmenter la sensibilité de la LZ et éliminer plus rigoureusement les signaux produits par la matière ordinaire.

Le projet LZ consiste à "faire de la science comme on veut faire de la science, " dit Palladino, expliquer comment la collaboration donne le temps, le financement et l'expertise nécessaires pour répondre aux questions fondamentales sur la nature de l'univers.

Le succès de LZ dépend en partie de l'exclusion des matériaux contaminants, y compris les produits chimiques réactifs et des traces d'éléments radioactifs, du xénon, qui s'appuie sur les prouesses d'ingénierie fournies par le laboratoire de sciences physiques de l'UW-Madison. Jeff Cherwinka, ingénieur en chef du projet LZ et un ingénieur mécanicien PSL, supervise l'assemblage du détecteur de matière noire dans une installation spéciale nettoyée du radon radioactif et conçoit un système pour éliminer en continu le gaz qui s'échappe du revêtement de la chambre au xénon. Avec l'ingénieur PSL Terry Benson, Cherwinka conçoit également le système de stockage au xénon pour empêcher toute fuite d'éléments radioactifs pendant le transport et l'installation.

"C'est l'une des forces de l'université que nous ayons l'expertise en ingénierie et en fabrication pour contribuer à ces projets à grande échelle, " dit Cherwinka. " Cela aide UW à gagner plus d'intérêts dans ces projets. "

Pendant ce temps, Carlsmith et Sridhara Dasu, également professeur de physique à l'UW-Madison, conçoivent des systèmes informatiques pour gérer et analyser les données sortant du détecteur afin d'être prêt à écouter les collisions de matière noire dès que LZ sera allumé en 2020. Une fois opérationnel, LZ approchera rapidement de la limite fondamentale de sa capacité de détection, le bruit de fond des particules sortant du soleil.

"Dans un an, s'il n'y a pas de WIMPs, ou s'ils interagissent trop faiblement, on ne verra rien, " dit Carlsmith. L'expérience devrait fonctionner pendant au moins cinq ans pour confirmer toutes les observations initiales et fixer de nouvelles limites aux interactions potentielles entre les WIMPs et la matière ordinaire.

D'autres expériences, y compris les projets du Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center IceCube, HAWC, et CTA, recherchent les signatures des événements d'annihilation de la matière noire en tant que méthodes indépendantes et indirectes pour étudier la nature de la matière noire. En outre, Les scientifiques de l'UW-Madison travaillent au Grand collisionneur de hadrons, à la recherche de preuves que la matière noire est produite lors de collisions de particules de haute énergie. Cette combinaison d'efforts offre la meilleure opportunité à ce jour pour en savoir plus sur la nature de la matière noire, et avec elle l'évolution et la structure de notre univers.