Installation XENON1T dans le hall souterrain des Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Le bâtiment de trois étages sur la droite abrite divers systèmes auxiliaires. Le cryostat contenant le LXeTPC est situé à l'intérieur du grand réservoir d'eau à gauche, à côté du bâtiment. Crédit :Roberto Corrieri et Patrick De Perio
"Le meilleur résultat sur la matière noire jusqu'à présent - et nous venons de commencer." C'est ainsi que les scientifiques derrière XENON1T, maintenant l'expérience sur la matière noire la plus sensible au monde, ont commenté leur premier résultat d'une courte période de 30 jours présenté aujourd'hui à la communauté scientifique.
La matière noire est l'un des constituants de base de l'univers, cinq fois plus abondante que la matière ordinaire. Plusieurs mesures astronomiques ont corroboré l'existence de la matière noire, conduisant à un effort mondial pour observer les interactions des particules de matière noire avec la matière ordinaire dans des détecteurs extrêmement sensibles, ce qui confirmerait son existence et éclairerait ses propriétés. Cependant, ces interactions sont si faibles qu'elles ont échappé à la détection directe jusqu'à présent, obligeant les scientifiques à construire des détecteurs de plus en plus sensibles. La Collaboration XENON, qu'avec le détecteur XENON100 a dominé le domaine pendant des années dans le passé, est désormais de retour en première ligne avec l'expérience XENON1T. Le résultat d'une première courte période de 30 jours montre que ce détecteur a un nouveau niveau record de radioactivité faible, plusieurs ordres de grandeur en dessous des matériaux environnants sur Terre. Avec une masse totale d'environ 3200kg, XENON1T est le plus grand détecteur de ce type jamais construit. La combinaison d'une taille significativement augmentée avec un fond beaucoup plus faible implique un excellent potentiel de découverte de matière noire dans les années à venir.
La collaboration XENON se compose de 135 chercheurs des États-Unis, Allemagne, Italie, La Suisse, Le Portugal, La France, les Pays-Bas, Israël, Suède et Emirats Arabes Unis. Le dernier détecteur de la famille XENON est en opération scientifique au laboratoire souterrain du LNGS depuis l'automne 2016. Les seules choses que vous voyez en visitant le site expérimental souterrain sont maintenant un gigantesque réservoir cylindrique en métal rempli d'eau ultra-pure pour protéger le détecteur à son centre, et une hauteur de trois étages, bâtiment transparent encombré d'équipements pour faire fonctionner le détecteur.
Scientifiques assemblant la chambre de projection temporelle XENON1T. Crédit :Enrico Sacchetti
Le détecteur central XENON1T, une chambre à projection temporelle au xénon liquide (LXeTPC), n'est pas visible. Il se trouve dans un cryostat au milieu du réservoir d'eau, complètement immergé afin de le protéger autant que possible de la radioactivité naturelle dans la caverne. Le cryostat maintient le xénon à une température de -95°C sans geler l'eau environnante. La montagne au-dessus du laboratoire protège davantage le détecteur, prévenir les perturbations par les rayons cosmiques. Mais se protéger du monde extérieur n'est pas suffisant puisque tous les matériaux sur Terre contiennent de minuscules traces de radioactivité naturelle. Ainsi, un soin extrême a été pris pour trouver, sélectionner et traiter les matériaux du détecteur pour obtenir le contenu radioactif le plus bas possible. Laura Baudis, professeur à l'Université de Zürich et le professeur Manfred Lindner du Max-Planck-Institute for Nuclear Physics à Heidelberg, souligner que cela a permis à XENON1T d'atteindre un record de "silence, " ce qui est nécessaire pour écouter la voix très faible de la matière noire.
Une interaction de particules dans le xénon liquide conduit à de minuscules éclairs de lumière. C'est ce que les scientifiques de XENON enregistrent et étudient pour déduire la position et l'énergie de la particule en interaction, et si oui ou non il pourrait s'agir de matière noire. L'information spatiale permet aux chercheurs de sélectionner les interactions se produisant dans le noyau central d'une tonne du détecteur.
Les limites de la section efficace WIMP-nucléon indépendante du spin en fonction de la masse de WIMP à un niveau de confiance de 90 % (noir) pour cette série de XENON1T. En vert et en jaune se trouvent les bandes de sensibilité 1 et 2σ. Résultats de LUX (rouge), PandaX-II (marron), et XENON100 (gris) sont indiqués à titre de référence. Crédit :Université Purdue
Le xénon environnant protège davantage la cible centrale du xénon de tous les matériaux contenant déjà de minuscules contaminants radioactifs survivants. Malgré la brièveté de la course scientifique de 30 jours, la sensibilité de XENON1T a déjà dépassé celle de toute autre expérience dans le domaine, sonder le territoire inexploré de la matière noire. "Les WIMPs ne sont pas apparus dans cette première recherche avec XENON1T, mais nous ne les attendions pas non plus si tôt, " dit Elena Aprile, Professeur à l'Université de Columbia et porte-parole du projet. "La meilleure nouvelle est que l'expérience continue d'accumuler d'excellentes données, ce qui nous permettra de tester très bientôt l'hypothèse WIMP dans une région de masse et de section efficace avec des atomes normaux comme jamais auparavant. Une nouvelle phase dans la course à la détection de la matière noire avec des détecteurs massifs à fond ultra-faible sur Terre vient de commencer avec XENON1T. Nous sommes fiers d'être à la pointe de la course avec cet incroyable détecteur, le premier du genre."
