Dans la quête des chercheurs pour des preuves de la matière noire, Le physicien Andrea Pocar de l'Université du Massachusetts Amherst et ses étudiants ont joué un rôle important dans la conception et la construction d'un élément clé du détecteur DarkSide-50 à base d'argon situé sous terre dans le laboratoire national italien du Gran Sasso.

Cette semaine, scientifiques du monde entier qui se sont réunis à l'Université de Californie, Los Angeles, au Symposium Dark Matter 2018 a appris de nouveaux résultats dans la recherche de preuves du matériau insaisissable dans les particules massives à interaction faible (WIMP) par le détecteur DarkSide-50. Les WIMPs sont des candidats particules de matière noire depuis des décennies, mais aucun n'a été trouvé à ce jour.

Pocar dit que le détecteur DarkSide a démontré le grand potentiel de la technologie de l'argon liquide dans la recherche de soi-disant " WIMPs lourds, " ceux dont la masse est d'environ 100 à 10, 000 fois la masse d'un proton. Plus loin, il ajoute, la technique d'argon à double phase utilisée par le détecteur DarkSide-50 a une puissance inattendue dans la recherche de "WIMPs de faible masse, " avec seulement 1 à 10 fois la masse d'un proton.

Il ajoute, "Le composant que nous avons fabriqué à UMass Amherst, avec des étudiants de premier cycle très dévoués impliqués dès le début, fonctionne très bien. C'est excitant cette semaine de voir le premier rapport de notre succès sortir au symposium. » Son étudiante diplômée Alissa Monte, qui a étudié les milieux liés aux surfaces et au radon avec DarkSide-50, présentera une affiche à la réunion de l'UCLA.

Pocar dit, « Il existe une communauté dynamique de chercheurs dans le monde entier qui mènent des expériences concurrentes dans cette zone WIMP de « faible masse ». Au cours des deux dernières années, nous avons collecté des données pour une mesure que nous ne nous attendions pas à pouvoir faire. À ce stade, nous sommes dans un jeu auquel nous ne pensions pas pouvoir participer. Nous rapportons la haute sensibilité que nous avons obtenue avec l'instrument, qui fonctionne mieux que prévu. » La sensibilité fait référence à la capacité de l'instrument à faire la distinction entre la matière noire et le rayonnement de fond.

Matière noire, Pocar explique, représente environ 25 pour cent du contenu énergétique de l'univers et bien qu'il ait une masse qui peut être déduite des effets gravitationnels, les physiciens ont beaucoup de mal à le détecter et à l'identifier car il interagit peu, le cas échéant, avec la matière "régulière" par d'autres forces. "La matière noire ne semble pas du tout vouloir interagir beaucoup avec la matière que nous connaissons, " note le physicien.

Le détecteur DarkSide-50 utilise 50 kg (environ 110 lb) d'argon liquide dans une cuve, avec une petite poche de gaz argon au sommet, Pocar explique, comme cible pour détecter les WIMPs. Les chercheurs espèrent qu'un WIMP frappera le noyau d'un atome d'argon dans le réservoir, qui peut alors être détectée par l'ionisation produite par le recul nucléaire dans le milieu argon environnant. Une partie du signal d'ionisation, proportionnel à l'énergie déposée à l'intérieur du détecteur, est collecté en appliquant un champ électrique à la cible, il explique.

Un éclair de lumière est également produit dans l'argon avec ionisation, dit Pocar. Pour les événements suffisamment énergétiques, l'impulsion lumineuse est suffisamment brillante pour être utilisée pour faire la différence de "signature" entre un recul nucléaire comme celui induit par un WIMP, et les reculs d'électrons induits par la radioactivité de fond ou environnementale.

Le laboratoire de Pocar conçu, fabriqué et installé l'une des électrodes qui appliquent le champ électrique. Il dit, "Pour les WIMPs de faible masse, la quantité d'énergie transmise au noyau d'argon par une WIMP est incroyablement petite. C'est comme frapper une boule de billard avec une balle de ping-pong lente. Mais un élément clé pour nous est que maintenant, avec deux ans de données, nous avons une compréhension exquise de notre détecteur et nous comprenons très bien tous les événements non WIMP. Une fois que vous avez compris votre détecteur, vous pouvez appliquer toute cette compréhension en mode recherche, et planifier des expériences de suivi."

Cristiano Galbiati, porte-parole du projet DarkSide, a déclaré lors du symposium de cette semaine, « C'est la meilleure façon de démarrer l'aventure de la future expérience DarkSide-20k. Les résultats de DarkSide-50 donnent une grande confiance sur nos choix technologiques et sur la capacité à mener un programme de découverte convaincant de la matière noire. Si une technologie de détecteur identifiera jamais de manière convaincante les événements induits par la matière noire, ce sera ça."