Des physiciens de l'Université Brown ont mis au point une nouvelle stratégie pour détecter directement la matière noire, le matériau insaisissable pensé pour expliquer la majorité de la matière dans l'univers.

La nouvelle stratégie, qui est conçu pour détecter les interactions entre les particules de matière noire et un bac d'hélium superfluide, serait sensible aux particules dans une gamme de masse beaucoup plus faible que ce qui est possible avec l'une des expériences à grande échelle menées jusqu'à présent, disent les chercheurs.

« Jusqu'à présent, la plupart des recherches sur la matière noire à grande échelle ont porté sur des particules d'une masse comprise entre 10 et 10, 000 fois la masse d'un proton, " a déclaré Derek Stein, un physicien qui a co-écrit le travail avec deux de ses collègues de l'Université Brown, Humphrey Maris et George Seidel. "En dessous de 10 masses de protons, ces expériences commencent à perdre de leur sensibilité. Ce que nous voulons faire, c'est étendre la sensibilité en masse de trois ou quatre ordres de grandeur et explorer la possibilité de particules de matière noire beaucoup plus légères."

Un article décrivant le nouveau détecteur est publié dans Lettres d'examen physique .

Matière manquante

Bien qu'il n'ait pas encore été détecté directement, les physiciens sont à peu près certains que la matière noire doit exister sous une forme ou une autre. La façon dont les galaxies tournent et le degré auquel la lumière se courbe lorsqu'elle traverse l'univers suggèrent qu'il y a une sorte de chose invisible qui projette sa gravité.

L'idée principale de la nature de la matière noire est qu'il s'agit d'une sorte de particule, quoique celui qui interagit très rarement avec la matière ordinaire. Mais personne ne sait vraiment quelles pourraient être les propriétés d'une particule de matière noire, car personne n'a encore enregistré l'une de ces rares interactions.

Il y a eu une bonne raison, Stein dit, pour rechercher dans la gamme de masse où la plupart des expériences sur la matière noire se sont concentrées jusqu'à présent. Une particule dans cette gamme de masse lierait beaucoup d'extrémités théoriques lâches. Par exemple, la théorie de la supersymétrie - l'idée que toutes les particules communes que nous connaissons et aimons ont des particules partenaires cachées - prédit des candidats à la matière noire de l'ordre de centaines de masses de protons.

Mais la non-présentation de ces particules dans les expériences jusqu'à présent a amené certains physiciens à réfléchir à la façon de chercher ailleurs. Cela a conduit les théoriciens à proposer des modèles dans lesquels la matière noire aurait une masse beaucoup plus faible.

Une nouvelle approche

La stratégie de détection mise au point par les chercheurs de Brown implique un bac d'hélium superfluide. L'idée est que les particules de matière noire traversant la baignoire devraient, à de très rares occasions, percuter le noyau d'un atome d'hélium. Cette collision produirait des phonons et des rotons - de minuscules excitations à peu près similaires aux ondes sonores - qui se propageraient sans perte d'énergie cinétique à l'intérieur du superfluide. Lorsque ces excitations atteignent la surface du fluide, ils provoqueront la libération d'atomes d'hélium dans un espace sous vide au-dessus de la surface. La détection de ces atomes libérés serait le signal qu'une interaction avec la matière noire a eu lieu dans la baignoire.

"La dernière partie est la partie délicate, " dit Maris, qui a travaillé sur des schémas de détection similaires à base d'hélium pour d'autres particules comme les neutrinos solaires. La collision d'une particule de matière noire de faible masse pourrait entraîner la libération d'un seul atome de la surface. Ce seul atome porterait seulement environ un millivolt d'électron-volt d'énergie, ce qui le rend pratiquement impossible à détecter par des moyens traditionnels. La nouveauté de ce nouveau schéma de détection est un moyen d'amplifier cette minuscule, signature énergétique d'un seul atome.

Il fonctionne en générant un champ électrique dans l'espace sous vide au-dessus du liquide à l'aide d'un réseau de petits, broches métalliques chargées positivement. Lorsqu'un atome libéré de la surface de l'hélium s'approche d'une épingle, la pointe chargée positivement lui volera un électron, créant un ion hélium chargé positivement. Cet ion positif nouvellement créé serait à proximité de la broche chargée positivement, et parce que les charges semblables se repoussent, l'ion s'envolera avec suffisamment d'énergie pour être facilement détectable par un calorimètre standard, un appareil qui détecte un changement de température lorsqu'une particule y pénètre.

"Si on met 10, 000 volts sur ces petites broches, alors cet ion va s'envoler avec 10, 000 volts dessus, ", a déclaré Maris. "C'est donc cette fonction d'ionisation qui nous donne une nouvelle façon de détecter uniquement l'atome d'hélium unique qui pourrait être associé à une interaction avec la matière noire."

Sensible à faible masse

Ce nouveau type de détecteur ne serait pas le premier à utiliser l'idée du bac à gaz liquide. L'expérience récemment achevée Large Underground Xenon (LUX) et son successeur, LUX-ZEPLIN, les deux utilisent des cuves de gaz xénon. L'utilisation d'hélium à la place offre un avantage important dans la recherche de particules de masse plus faible, disent les chercheurs.

Pour qu'une collision soit détectable, la particule entrante et les noyaux atomiques cibles doivent être de masse compatible. Si la particule entrante est beaucoup plus petite en masse que les noyaux cibles, toute collision ferait simplement rebondir la particule sans laisser de trace. Étant donné que LUX et L-Z sont destinés à la détection de particules dont la masse est supérieure à cinq fois celle d'un proton, ils ont utilisé du xénon, qui a un noyau d'environ 100 masses de protons. L'hélium a une masse nucléaire seulement quatre fois supérieure à celle d'un proton, faire une cible plus compatible pour les particules avec beaucoup moins de masse.

Mais encore plus important que la cible lumineuse, disent les chercheurs, est la capacité du nouveau schéma à détecter un seul atome évaporé de la surface de l'hélium. Ce type de sensibilité permettrait à l'appareil de détecter les infimes quantités d'énergie déposées dans le détecteur par des particules de très petites masses. L'équipe Brown pense que son appareil serait sensible à des masses jusqu'à environ deux fois la masse d'un électron, environ 1, 000 à 10, 000 fois plus légères que les particules détectables jusqu'à présent dans les expériences sur la matière noire à grande échelle.

Stein dit que les premières étapes pour faire d'un tel détecteur une réalité seront des expériences fondamentales pour mieux comprendre les aspects de ce qui se passe dans l'hélium superfluide et la dynamique précise du schéma d'ionisation.

« À partir de ces expériences fondamentales, " Stein dit, "nous créerions des conceptions pour une expérience plus grande et plus complète sur la matière noire."