La technologie proposée il y a 30 ans pour rechercher la matière noire voit enfin le jour.

Les scientifiques utilisent des capteurs innovants, appelés CCD de skipper (abréviation de dispositifs à couplage de charge) dans un nouveau type de projet de détection de matière noire. Les scientifiques utiliseront le projet, connu sous le nom de SENSEI, pour trouver les particules de matière noire les plus légères que l'on ait jamais recherchées.

La matière noire, ainsi nommée parce qu'elle n'absorbe pas, réfléchir ou émettre de la lumière - constitue 27 pour cent de l'univers, mais le jury ne sait toujours pas de quoi il est fait. Le principal suspect théorique du composant principal de la matière noire est une particule que les scientifiques ont nommée de manière descriptive la particule massive faiblement interactive, ou WIMP.

Mais comme aucune de ces particules lourdes, qui devraient avoir une masse 100 fois supérieure à celle d'un proton, se sont révélés dans des expériences, il est peut-être temps pour les chercheurs de penser petit.

« Il y a un intérêt croissant pour la recherche de différents types de matière noire qui sont des additifs au modèle WIMP standard, " a déclaré Javier Tiffenberg, scientifique du Fermilab, un leader de la collaboration SENSEI. "Poids léger, ou de faible masse, la matière noire est une possibilité très convaincante, et pour la première fois, la technologie est là pour explorer ces candidats.

La matière noire de faible masse laisserait un minuscule, signature difficile à voir lorsqu'elle entre en collision avec du matériel à l'intérieur d'un détecteur. Attraper ces particules insaisissables nécessite un maître détecteur de matière noire :SENSEI.

Sentir l'invisible

Dans les expériences traditionnelles sur la matière noire, les scientifiques recherchent un transfert d'énergie qui se produirait si des particules de matière noire entrent en collision avec un noyau ordinaire, mais SENSEI est différent. Il recherche les interactions directes des particules de matière noire entrant en collision avec des électrons.

"C'est une grande différence - vous obtenez beaucoup plus d'énergie transférée dans ce cas parce qu'un électron est si léger par rapport à un noyau, " a déclaré Tiffenberg.

Si la matière noire a une faible masse - bien plus petite que ce que suggère le modèle WIMP - alors elle serait plusieurs fois plus légère qu'un noyau atomique. Donc s'il devait entrer en collision avec un noyau, le transfert d'énergie qui en résulterait serait bien trop faible pour nous dire n'importe quoi. Ce serait comme lancer une balle de ping-pong sur un rocher :l'objet lourd ne va nulle part, et il n'y aurait aucun signe que les deux soient entrés en contact.

Un électron est loin d'être aussi lourd qu'un noyau atomique. En réalité, un seul proton a environ 1, 836 fois plus de masse qu'un électron. Ainsi, la collision d'une particule de matière noire de faible masse avec un électron a de bien meilleures chances de laisser une marque – plus de boule de bowling que le rocher du noyau.

Toutefois, l'électron est toujours une boule de bowling par rapport à la particule de matière noire de faible masse. Un transfert d'énergie entre les deux ne laisserait qu'un bout d'énergie, un soit trop petit pour être détecté par la plupart des détecteurs, soit facilement éclipsé par le bruit dans les données. Il y a un petit échange d'énergie, mais, si le détecteur n'est pas assez sensible, il peut sembler que rien ne se passe.

"La boule de bowling bougera d'une très petite quantité, " a déclaré Juan Estrada, scientifique du Fermilab, un collaborateur SENSEI. "Vous avez besoin d'un détecteur très précis pour voir cette interaction de particules légères avec quelque chose de beaucoup plus lourd."

C'est là qu'interviennent les capteurs CCD sensibles du skipper de SENSEI :ils capteront ce minuscule transfert d'énergie.

Les CCD ont été utilisés pour d'autres expériences de détection de matière noire, comme l'expérience Dark Matter in CCDs (ou DAMIC) exploitée à SNOLAB au Canada. Ces CCD étaient une retombée de capteurs développés pour être utilisés dans la caméra à énergie noire au Chili et d'autres projets de recherche d'énergie noire.

Les CCD sont généralement constitués de silicium divisé en pixels. Lorsqu'une particule de matière noire traverse le CCD, il entre en collision avec les électrons du silicium, les libérer, laissant une charge électrique nette dans chaque pixel traversé par la particule. Les électrons traversent ensuite les pixels adjacents et sont finalement lus comme un courant dans un appareil qui mesure le nombre d'électrons libérés de chaque pixel CCD. Cette mesure renseigne les scientifiques sur la masse et l'énergie de la particule - dans ce cas la particule de matière noire - qui a déclenché la réaction en chaîne. Une particule massive, comme une mauviette, libérerait un jaillissement d'électrons, mais une particule de faible masse peut n'en libérer qu'une ou deux.

Les CCD typiques ne peuvent mesurer la charge laissée qu'une seule fois, ce qui rend difficile de décider si un signal d'énergie minuscule d'un ou deux électrons est réel ou une erreur.

Les capteurs CCD Skipper sont une nouvelle génération de la technologie qui aide à éliminer l'« incertitude » d'une mesure qui a une marge d'erreur d'un ou deux électrons. Cela permet une précision beaucoup plus élevée grâce à une conception unique.

"Autrefois, les détecteurs pourraient mesurer la quantité de charge de l'énergie déposée dans chaque pixel une seule fois, " a déclaré Tiffenberg. " Le grand pas en avant pour le skipper CCD est que nous sommes capables de mesurer cette charge autant de fois que nous le voulons. "

La charge laissée dans le skipper CCD par la matière noire libérant des électrons peut être échantillonnée plusieurs fois puis moyennée, une méthode qui donne une mesure plus précise de la charge déposée dans chaque pixel que la technique de mesure un-et-fait. C'est la règle des statistiques :avec plus de données, vous vous rapprochez de la vraie valeur d'un bien.

Les scientifiques de SENSEI profitent de l'architecture CCD du skipper, mesurer le nombre d'électrons dans un seul pixel un énorme 4, 000 fois, puis en faisant la moyenne. Cela minimise l'erreur de mesure - ou le bruit - et clarifie le signal.

"C'est une idée simple, mais il nous a fallu 30 ans pour le faire fonctionner, " dit Estrada.

De l'idée, à la réalité, au-delà

Un petit prototype SENSEI fonctionne actuellement au Fermilab dans un hall de détection à 385 pieds sous terre, et il a démontré que cette conception de détecteur fonctionnera dans la chasse à la matière noire.

Après quelques décennies à n'être qu'une idée, La technologie CCD du skipper et SENSEI ont vu le jour grâce à des fonds de recherche et développement dirigés par des laboratoires (LDRD) au Fermilab et au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Les LDRD du Fermilab n'ont été attribués que récemment, il y a moins de deux ans, mais une étroite collaboration entre les deux laboratoires a déjà permis d'aboutir à la conception prometteuse de SENSEI, en partie grâce aux travaux antérieurs du laboratoire de Berkeley dans la conception du skipper CCD.

Les fonds Fermilab LDRD permettent aux chercheurs de tester les capteurs et de développer des détecteurs basés sur la science, et les fonds Berkeley Lab LDRD soutiennent la conception du capteur, qui a été initialement proposé par le scientifique du Berkeley Lab, Steve Holland.

"C'est la combinaison des deux LDRD qui rend vraiment SENSEI possible, " dit Estrada.

Les programmes LDRD sont destinés à fournir un financement pour le développement de nouvelles, des idées de pointe pour la découverte scientifique, et la technologie SENSEI fait certainement l'affaire, même au-delà de sa recherche de matière noire.

Les futures recherches de SENSEI recevront également un coup de pouce grâce à une récente subvention de la Fondation Heising-Simons.

"SENSEI est très cool, mais ce qui est vraiment impressionnant c'est que le skipper CCD permettra la science SENSEI et plein d'autres applications, " Estrada a déclaré. " Les études astronomiques sont limitées par la sensibilité de leurs mesures expérimentales, et avoir des capteurs sans bruit équivaut à rendre votre télescope plus grand, plus sensible."

La technologie SENSEI peut également être essentielle dans la recherche d'un quatrième type de neutrinos, appelé le neutrino stérile, qui semble être encore plus timide que ses trois membres notoirement insaisissables de la famille des neutrinos.

Un plus grand détecteur SENSEI équipé d'un plus grand nombre de capteurs CCD de skipper sera déployé dans le courant de l'année. Il est possible qu'il ne détecte rien, renvoyer les chercheurs à la planche à dessin dans la chasse à la matière noire. Ou SENSEI pourrait enfin entrer en contact avec la matière noire – et ce serait SENSEI-tionnel.