Invisible, imperceptible et pourtant bien plus commun que la matière ordinaire, la matière noire représente 85 % de la masse de l'univers. Les physiciens traquent lentement mais sûrement la nature de cette substance non identifiée. Le dernier résultat de l'expérience PICO place certaines des meilleures limites à ce jour sur les propriétés de certains types de matière noire.

PICO recherche les WIMPs (particules massives interagissant faiblement), un type hypothétique de particule de matière noire qui n'interagirait que rarement, ce qui les rend difficiles à trouver.

Dans ce jeu cosmique extrême de « Où est Charlie ? » le plus récent, les détecteurs les plus complexes sur le plan technologique sont généralement considérés comme les plus prometteurs. Beaucoup de ces expériences sur la matière noire reposent sur des centaines, voire des milliers de canaux électriques et nécessitent des racks de serveurs informatiques uniquement pour stocker les données qu'ils collectent.

Mais PICO s'appuie sur un phénomène simple et un détecteur assez discret :des bulles, et une chambre à bulles. En son coeur, L'appareil de PICO est simplement un bocal en verre rempli de fluide dans lequel des bulles peuvent se former et être surveillées par une caméra vidéo.

Réinventer la bulle

PICO a vu le jour en 2005 en tant que collaboration entre l'Université de Chicago et le Fermilab du département américain de l'Énergie. (L'expérience a commencé sous un nom différent, COUP, et plus tard fusionné avec l'expérience PICASSO pour former PICO.) Au début de l'expérience, une grande partie du travail des scientifiques du Fermilab a été consacrée simplement au développement de la technologie des chambres à bulles. Car si la chambre à bulles n'était pas nouvelle – elle a été inventée en 1952 – la technologie était également hors d'usage depuis 20 ans.

Les chambres à bulles sont conçues pour convertir l'énergie déposée par une particule subatomique en une bulle qui peut être observée. Dans un liquide tel que de l'eau à température ambiante, les collisions de particules ne font rien de notable. Pour atteindre la sensibilité aux particules, le fluide à l'intérieur des chambres à bulles est chauffé juste au-dessus de son point d'ébullition, ainsi la moindre perturbation pourrait faire basculer le fluide à un état d'ébullition, créer une bulle.

"Vous pouvez réellement regarder la chambre et voir la forme de bulle, " a déclaré Hugh Lippincott, physicien du Fermilab, un collaborateur sur PICO. Dans des expériences typiques de physique des particules, les informations sur les interactions des particules sont fournies uniquement par le biais d'interfaces informatiques. Dans PICO, les interactions sont visibles à l'œil nu sous forme de bulles.

« C'est génial d'appuyer votre visage contre la vitre et juste… pop ! » a déclaré Andrew Sonnenschein, physicien du Fermilab, également un collaborateur sur PICO.

Si les WIMP existent, ils devraient occasionnellement interagir avec le fluide dans la chambre à bulles de PICO, créant un certain nombre de bulles chaque année.

C'était un retour à la vieille école, physique des particules low-tech lorsque les collaborateurs du Fermilab ont commencé à concevoir la chambre à bulles PICO, qui est installé à 2 kilomètres sous terre au laboratoire canadien SNOLAB. Les chambres à bulles des décennies passées avaient été utilisées pour suivre des millions de particules chargées telles que des protons et des électrons, qui partirait longtemps, pistes sinueuses dans le fluide.

"Les vieilles chambres à bulles ont eu un bon fonctionnement, mais ça s'est terminé dans les années 80, " a déclaré Sonnenschein. " Ils étaient trop lents pour suivre les expériences qui avaient des débits de données beaucoup plus importants. "

Par conséquent, les chambres à bulles ont été progressivement supprimées lorsque les collisionneurs de particules modernes tels que le Tevatron du Fermilab et le Large Hadron Collider du CERN ont pris le relais. Utilisant une électronique complexe, les détecteurs de ces collisionneurs ont pu collecter des millions de fois plus de données que les chambres à bulles.

En réalité, les chambres à bulles étaient hors service depuis si longtemps que les fondateurs de PICO ont dû retourner à la planche à dessin, revenir à certains des papiers des pionniers originaux de la chambre à bulles, et réinventer efficacement la technologie de détection de la matière noire.

« Après que les premiers concepteurs de chambres à bulles aient découvert comment les faire fonctionner pour suivre les particules à haute énergie avec des traînées de bulles, les ingrédients de base de la recette n'ont pas changé. Nous recherchons des particules de faible énergie qui ne font que des bulles simples, tant de choses sont différentes, " a déclaré Sonnenschein.

La nouvelle conception permettant aux chambres à bulles de détecter la matière noire préserve encore de nombreux éléments des anciens détecteurs de chambres à bulles.

"Ce qui rend PICO intéressant, c'est que nous utilisons une conception de détecteur relativement simple par rapport aux autres expériences sur la matière noire, " a déclaré Dan Baxter, un étudiant diplômé de la Northwestern University et membre du Fermilab qui était le dernier coordinateur de PICO.

Contrairement aux chambres à bulles traditionnelles à détection de particules chargées, La chambre à bulles de PICO est conçue pour rechercher les insaisissables, des WIMPs à charge neutre qui pourraient mettre des années à faire leur apparition.

"C'est l'utiliser d'une manière différente, " dit Lippincott. " Autrefois, vous ne vous attendriez jamais à utiliser une chambre à bulles en la laissant simplement reposer sans que rien ne se passe."

Une bulle WIMPy

La force faible qui gouverne les WIMPs porte bien son nom. En comparaison, il est environ 10, 000 fois plus faible que la force électromagnétique. Particules qui interagissent par la force faible, comme les WIMPs et les neutrinos, n'interagissent pas souvent, les rendant difficiles à capturer. Mais même un WIMP lent peut déposer suffisamment d'énergie pour être visible dans un détecteur.

En calibrant soigneusement la chaleur et la pression dans le fluide de la chambre à bulles PICO, les scientifiques n'ont pu rendre le détecteur sensible qu'aux interactions de particules massives comme les WIMPs. Les chercheurs de PICO ont pu éviter une grande partie de l'arrière-plan standard, tels que les signaux des électrons et des rayons gamma, qui affligent d'autres détecteurs de matière noire.

Maîtriser la technologie pour y parvenir a pris des années. Les prédécesseurs de PICO n'étaient guère plus que des tubes à essai remplis de quelques cuillères à café de liquide. Progressivement, les vaisseaux s'agrandissaient. Ensuite, les chercheurs ont ajouté une surveillance sonore à leurs détecteurs pour capturer les « pops » des bulles créées par les WIMPs.

"Nous voyons un gazouillis sonore, " Sonnenschein a dit, se référant aux bulles qui éclatent. "Il s'avère que si vous regardez le contenu fréquentiel du son et l'amplitude, vous pouvez faire la différence entre les différents types d'interactions de particules."

Si un WIMP a créé une bulle, PICO serait capable non seulement de voir des preuves de matière noire, mais écoutez-le aussi. Grâce à cette technologie acoustique, les chercheurs ont pu opposer efficacement leur veto à des bulles qui n'auraient pas pu être créées par des WIMPs, leur permettant d'éliminer l'arrière-plan.

Comme il s'avère, PICO n'a pas vu de bulles de WIMPs, ils ont donc pu imposer des limites à la fois aux masses WIMP et à la probabilité qu'elles interagissent avec la matière, deux facteurs qui influencent le nombre de bulles produites par les WIMP.

Placer des limites à ces facteurs (masse et taux d'interaction) peut indiquer aux physiciens où ils devraient chercher la matière noire.

Où aucune bulle n'est allée avant

"Nous ne savons pas ce qu'est la matière noire, et donc il y a beaucoup de théories sur ce que cela pourrait être et sur la façon dont cela pourrait interagir avec la matière normale, " a déclaré Baxter.

La variété des théories appelle une variété d'expériences différentes. D'autres expériences recherchent différentes sources de matière noire, telles que des particules appelées axions ou neutrinos stériles. La recherche de PICO sur les WIMPs se concentre spécifiquement sur les WIMPs dits dépendants du spin.

"Nous ne savons pas ce que sont les WIMPs, " a déclaré Lippincott. " Mais d'une manière générale, leurs interactions avec la matière normale se répartiraient en deux catégories :une qui n'est pas sensible à la rotation du noyau, et un qui l'est."

Tournoyer, comme charge, est une quantité intrinsèque portée par les particules et les noyaux atomiques. PICO recherche principalement les interactions WIMP qui sont sensibles au spin du noyau. Pour booster leur résolution de ces interactions, les chercheurs utilisent un fluide avec un liquide contenant du fluor, qui a un spin nucléaire relativement grand. Avec cette méthode, PICO a multiplié par 17 sa capacité à voir les WIMPs sensibles au spin.

Essentiellement, Le résultat de PICO est que ces WIMPs sensibles au spin, s'ils existent, doivent interagir extrêmement rarement, sinon PICO aurait vu plus de bulles.

Ce résultat, qui est de loin le meilleur pour les WIMPs sensibles au spin interagissant avec des protons, n'exclut pas l'existence de WIMPs. Il reste encore beaucoup d'autres endroits où chercher de la matière noire, mais grâce à PICO, moins d'endroits pour se cacher.

La collaboration PICO a actuellement une proposition à la Fondation canadienne pour l'innovation pour construire la prochaine génération de chambre PICO, et des physiciens comme Lippincott et Sonnenschein restent optimistes en raison du potentiel d'extension de la technologie.

"Ils sont assez bon marché une fois l'ingénierie terminée, principalement parce qu'ils sont très simples mécaniquement. Les bits délicats ne sont pas très délicats, " a déclaré Lippincott. " Il y a de fortes chances que les chambres à bulles continuent de jouer un rôle dans la chasse à la matière noire. "