La future expérience SuperCDMS SNOLAB chassera les particules massives à interaction faible (WIMP), composants hypothétiques de la matière noire. Si un WIMP (trace blanche) heurte un atome à l'intérieur des cristaux du détecteur de l'expérience (gris), cela fera vibrer le réseau cristallin (bleu). La collision enverra également des électrons (rouges) à travers le cristal qui augmenteront les vibrations. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Le département américain de l'Énergie a approuvé le financement et le début de la construction de l'expérience SuperCDMS SNOLAB, qui commencera ses opérations au début des années 2020 pour chasser d'hypothétiques particules de matière noire appelées particules massives à interaction faible, ou WIMPs. L'expérience sera au moins 50 fois plus sensible que son prédécesseur, explorer les propriétés WIMP qui ne peuvent pas être sondées par d'autres expériences et donner aux chercheurs un nouvel outil puissant pour comprendre l'un des plus grands mystères de la physique moderne.
Le laboratoire national d'accélérateurs SLAC du DOE gère le projet de construction de la collaboration internationale SuperCDMS de 111 membres de 26 institutions, qui se prépare à faire des recherches avec l'expérience.
"Comprendre la matière noire est l'un des sujets de recherche les plus brûlants - au SLAC et dans le monde, " a déclaré JoAnne Hewett, chef de la direction de physique fondamentale du SLAC et directeur de recherche du laboratoire. « Nous sommes ravis de diriger le projet et de travailler avec nos partenaires pour construire cette expérience sur la matière noire de nouvelle génération. »
Avec les approbations du DOE, connu sous le nom de décisions critiques 2 et 3, les chercheurs peuvent maintenant construire l'expérience. Le DOE Office of Science contribuera 19 millions de dollars à l'effort, en s'associant à la National Science Foundation (12 millions de dollars) et à la Fondation canadienne pour l'innovation (3 millions de dollars).
"Notre expérience sera la plus sensible au monde pour les WIMPs relativement légers - dans une plage de masse allant d'une fraction de la masse du proton à environ 10 masses de proton, " dit Richard Partridge, chef du groupe SuperCDMS au Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), un institut conjoint du SLAC et de l'Université de Stanford. "Cette sensibilité inégalée créera des opportunités passionnantes pour explorer de nouveaux territoires dans la recherche sur la matière noire."
Une Recherche Ultrafroide 6, 800 pieds sous terre
Les scientifiques savent que la matière visible dans l'univers ne représente que 15 pour cent de toute la matière. Le reste est une substance mystérieuse, appelée matière noire. En raison de son attraction gravitationnelle sur la matière régulière, la matière noire est un facteur clé de l'évolution de l'univers, affectant la formation de galaxies comme notre Voie lactée. Elle est donc fondamentale pour notre propre existence.
L'expérience sur la matière noire SuperCDMS sera située au laboratoire canadien SNOLAB, 2 kilomètres (6, 800 pieds) sous terre à l'intérieur d'une mine de nickel près de la ville de Sudbury. C'est le laboratoire souterrain le plus profond en Amérique du Nord. Là, il sera protégé des particules à haute énergie, appelé rayonnement cosmique, qui peuvent créer des signaux de fond indésirables. Crédit :Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs SLAC ; encart :SNOLAB
Mais les scientifiques n'ont pas encore découvert de quoi est faite la matière noire. Ils pensent qu'il pourrait être composé de particules de matière noire, et les WIMPs sont les meilleurs prétendants. Si ces particules existent, ils interagiraient à peine avec leur environnement et voleraient à travers la matière ordinaire intacte. Cependant, de temps en temps, ils pourraient entrer en collision avec un atome de notre monde visible, et les chercheurs sur la matière noire recherchent ces interactions rares.
Dans l'expérience SuperCDMS SNOLAB, la recherche se fera à l'aide de cristaux de silicium et de germanium, dans lequel les collisions déclencheraient de minuscules vibrations. Cependant, mesurer les secousses atomiques, les cristaux doivent être refroidis à moins de moins 459,6 degrés Fahrenheit - une fraction de degré au-dessus de la température du zéro absolu. Ces conditions ultrafroides donnent son nom à l'expérience :Cryogenic Dark Matter Search, ou CDMS. Le préfixe "Super" indique une sensibilité accrue par rapport aux versions précédentes de l'expérience.
Les collisions produiraient également des paires d'électrons et des déficiences en électrons qui se déplacent à travers les cristaux, déclenchant des vibrations atomiques supplémentaires qui amplifient le signal de la collision de matière noire. L'expérience sera capable de mesurer ces "empreintes digitales" laissées par la matière noire avec une électronique supraconductrice sophistiquée.
L'expérience sera assemblée et exploitée au laboratoire canadien SNOLAB - 6, 800 pieds sous terre à l'intérieur d'une mine de nickel près de la ville de Sudbury. C'est le laboratoire souterrain le plus profond en Amérique du Nord. Là, il sera protégé des particules à haute énergie, appelé rayonnement cosmique, qui peuvent créer des signaux de fond indésirables.
"SNOLAB est ravi d'accueillir la collaboration SuperCDMS SNOLAB dans le laboratoire souterrain, " a déclaré Kerry Loken, Chef de projet SNOLAB. "Nous attendons avec impatience un excellent partenariat et de soutenir cette science de classe mondiale."
Au cours des derniers mois, un prototype de détecteur a été testé avec succès au SLAC. "Ces tests ont été une démonstration importante que nous sommes capables de construire le détecteur réel avec une résolution d'énergie suffisamment élevée, ainsi que l'électronique du détecteur avec un bruit suffisamment faible pour atteindre nos objectifs de recherche, " a déclaré Paul Brink de KIPAC, qui supervise la fabrication du détecteur à Stanford.
Avec sept autres institutions collaboratrices, SLAC fournira la pièce maîtresse de l'expérience de quatre tours de détection, chacun contenant six cristaux en forme de rondelles de hockey surdimensionnées. La première tour pourrait être envoyée à SNOLAB d'ici fin 2018.
La pièce maîtresse de l'expérience SuperCDMS SNOLAB sera constituée de quatre tours de détection (à gauche), contenant chacun six packs de détecteurs. Les tours seront montées à l'intérieur de la SNOBOX (à droite), un récipient dans lequel les packs de détecteurs seront refroidis à une température presque nulle. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
"Les tours de détection sont la partie la plus technologiquement difficile de l'expérience, repousser les frontières de notre compréhension des dispositifs basse température et de la lecture supraconductrice, " dit Bernard Sadoulet, un collaborateur de l'Université de Californie, Berkeley.
Une solide collaboration pour une science extraordinaire
En plus du SLAC, deux autres laboratoires nationaux sont impliqués dans le projet. Le Fermi National Accelerator Laboratory travaille sur l'infrastructure complexe de blindage et de cryogénie de l'expérience, et le Pacific Northwest National Laboratory aide à comprendre les signaux de fond dans l'expérience, un défi majeur pour la détection de faibles signaux WIMP.
Un certain nombre d'universités américaines et canadiennes jouent également un rôle clé dans l'expérience, travailler sur des tâches allant de la fabrication et des tests de détecteurs à l'analyse et à la simulation de données. La plus grande contribution internationale vient du Canada et comprend l'infrastructure de recherche de SNOLAB.
« Nous avons la chance d'avoir un réseau étroit de partenaires de collaboration solides, qui est crucial pour notre succès, " a déclaré Blas Cabrera du KIPAC, qui a dirigé le projet jusqu'à l'étape d'approbation CD-2/3. "Il en va de même pour le soutien exceptionnel que nous recevons des agences de financement aux États-Unis et au Canada."
Dan Bauer du Laboratoire Fermi, porte-parole de la collaboration SuperCDMS, mentionné, "Ensemble, nous sommes maintenant prêts à construire une expérience qui recherchera des particules de matière noire qui interagissent avec la matière normale dans une toute nouvelle région."
SuperCDMS SNOLAB sera la dernière d'une série d'expériences de plus en plus sensibles sur la matière noire. La version la plus récente, situé à la mine Soudan dans le Minnesota, opérations terminées en 2015.
"Le projet a intégré les enseignements tirés des expériences CDMS précédentes pour améliorer considérablement l'infrastructure expérimentale et les conceptions de détecteurs pour l'expérience, " a déclaré Ken Fouts du SLAC, chef de projet pour SuperCDMS SNOLAB. "La combinaison d'améliorations de conception, la localisation en profondeur et le support d'infrastructure fourni par SNOLAB permettront à l'expérience d'atteindre son plein potentiel dans la recherche de matière noire de faible masse."
