Une nouvelle conception de détecteur de particules proposée au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie pourrait considérablement élargir la recherche de matière noire, qui représente 85 % de la masse totale de l'univers, mais nous ne savons pas de quoi elle est faite. de—dans un domaine inexploré.

Alors que plusieurs grandes expériences de physique ont ciblé des particules de matière noire théorisées appelées WIMPs, ou des particules massives interagissant faiblement, la nouvelle conception du détecteur pourrait rechercher des signaux de matière noire à des énergies des milliers de fois inférieures à celles mesurables par des détecteurs WIMP plus conventionnels.

La technologie du détecteur ultrasensible incorpore des cristaux d'arséniure de gallium qui comprennent également les éléments silicium et bore. Cette combinaison d'éléments fait scintiller les cristaux, ou allumer, dans les interactions de particules qui éloignent les électrons.

Cette propriété de scintillation de l'arséniure de gallium a été largement inexplorée, dit Stephen Derenzo, un physicien principal de la division de biophysique moléculaire et de bioimagerie intégrée du laboratoire de Berkeley et auteur principal d'une étude publiée le 20 mars dans le Journal de physique appliquée qui détaille les propriétés du matériau.

« Il est difficile d'imaginer un meilleur matériau pour rechercher dans cette gamme de masse particulière, " Derenzo dit, qui se mesure en MeV, ou des millions d'électrons-volts. "Cela coche toutes les cases. Nous sommes toujours inquiets à propos d'un" Gotcha! " ou showstopper. Mais j'ai essayé de penser à une façon dont ce matériel de détecteur peut échouer et je ne peux pas. "

La percée est venue d'Edith Bourret, un scientifique senior de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab qui, des décennies plus tôt, avait étudié l'utilisation potentielle de l'arséniure de gallium dans les circuits. Elle lui a donné un échantillon d'arséniure de gallium de ce travail précédent qui présentait des concentrations supplémentaires, ou "dopants, " de silicium et de bore.

Derenzo avait déjà mesuré des performances médiocres dans un échantillon d'arséniure de gallium de qualité commerciale. Mais l'échantillon que Bourret lui a remis présentait une luminosité de scintillation cinq fois plus brillante que dans le matériau commercial, en raison des concentrations ajoutées, ou "dopants, " de silicium et de bore qui imprégnaient le matériau de propriétés nouvelles et améliorées. Cette scintillation améliorée signifiait qu'il était beaucoup plus sensible aux excitations électroniques.

"Si elle ne m'avait pas donné cet échantillon d'il y a plus de 20 ans, Je ne pense pas que je l'aurais poursuivi, " dit Derenzo. " Quand ce matériau est dopé avec du silicium et du bore, cela s'avère très important et, accidentellement, un très bon choix de dopants."

Derenzo a noté qu'il s'intéressait de longue date aux scintillateurs qui sont également des semi-conducteurs, car cette classe de matériaux peut produire une scintillation ultrarapide utile pour les applications d'imagerie médicale telles que les scans TEP (tomographie par émission de positons) et CT (tomographie par ordinateur), par exemple, ainsi que pour les expériences de physique des hautes énergies et la détection de rayonnement.

Les cristaux d'arséniure de gallium dopé qu'il a étudiés semblent bien adaptés aux détecteurs de particules à haute sensibilité car des cristaux extrêmement purs peuvent être cultivés commercialement dans de grandes tailles, les cristaux présentent une luminosité élevée en réponse aux électrons éjectés des atomes dans la structure atomique des cristaux, et ils ne semblent pas être gênés par les effets indésirables typiques tels que la rémanence du signal et les signaux de courant d'obscurité.

Certains des plus grands détecteurs de chasse aux WIMP - tels que celui du projet LUX-ZEPLIN dirigé par Berkeley Lab actuellement en construction dans le Dakota du Sud, et son prédécesseur, l'expérience LUX - incorporer un détecteur à scintillation liquide. Un grand réservoir de xénon liquide est entouré de capteurs pour mesurer tous les signaux lumineux et électriques attendus de l'interaction d'une particule de matière noire avec le noyau d'un atome de xénon. Ce type d'interaction est connu sous le nom de recul nucléaire.

En revanche, le détecteur d'arséniure de gallium à base de cristal est conçu pour être sensible aux énergies plus faibles associées aux reculs d'électrons, des électrons éjectés des atomes par leur interaction avec les particules de matière noire. Comme pour LUX et LUX-ZEPLIN, le détecteur d'arséniure de gallium devrait être placé profondément sous terre pour le protéger du bain typique de particules qui pleut sur Terre.

Il faudrait également le coupler à des capteurs de lumière capables de détecter les très rares photons infrarouges (particules de lumière) attendus d'une interaction de particules de matière noire de faible masse, et le détecteur devrait être refroidi à des températures cryogéniques. Les dopants silicium et bore pourraient également être optimisés pour améliorer la sensibilité et les performances globales des détecteurs.

Parce que la composition de la matière noire est encore un mystère - elle pourrait être composée d'une ou de plusieurs particules de masses différentes, par exemple, ou peut ne pas être composé du tout de particules - Derenzo a noté que les détecteurs d'arséniure de gallium n'offrent qu'une seule fenêtre sur les cachettes possibles des particules de matière noire.

Alors que l'on pensait à l'origine que les WIMP habitaient une gamme de masse mesurée en milliards d'électrons-volts, ou GeV, la technologie des détecteurs à l'arséniure de gallium est bien adaptée à la détection de particules dans la gamme de masse mesurée en millions d'électrons-volts, ou MeV.

Les physiciens du Berkeley Lab proposent également d'autres types de détecteurs pour étendre la recherche de matière noire, y compris une configuration qui utilise un état exotique d'hélium réfrigéré connu sous le nom d'hélium superfluide pour détecter directement les particules dites de "matière noire légère" dans la gamme de masse de milliers d'électrons-volts (keV).

"L'hélium superfluide est scientifiquement complémentaire à l'arséniure de gallium puisque l'hélium est plus sensible aux interactions de la matière noire avec les noyaux atomiques, tandis que l'arséniure de gallium est sensible à la matière noire interagissant avec les électrons, " a déclaré Dan McKinsey, chercheur principal au Berkeley Lab et professeur de physique à l'UC Berkeley, qui fait partie de la collaboration LZ et mène des activités de R&D sur la détection de la matière noire à l'aide d'hélium superfluide.

"Nous ne savons pas si la matière noire interagit plus fortement avec les noyaux ou les électrons - cela dépend de la nature spécifique de la matière noire, ce qui est encore inconnu."

Un autre effort utiliserait des cristaux d'arséniure de gallium dans une approche différente de la recherche de matière noire légère basée sur des vibrations dans la structure atomique des cristaux, appelés phonons optiques. Cette configuration pourrait cibler les "photons sombres clairs, " qui sont des particules de faible masse théorisées qui serviraient de porteur d'une force entre les particules de matière noire - analogue au photon conventionnel qui transporte la force électromagnétique.

Encore une autre expérience de nouvelle génération, connue sous le nom d'expérience de recherche de matière noire super cryogénique, ou SuperCDMS SNOLAB, utilisera des cristaux de silicium et de germanium pour chasser les WIMPs de faible masse.

"Ce seraient des expériences complémentaires, " Derenzo a déclaré à propos des nombreuses approches. "Nous devons examiner toutes les plages de masse possibles. Vous ne voulez pas être dupe. Vous ne pouvez pas exclure une plage de masse si vous ne regardez pas là-bas."