Les résultats expérimentaux du détecteur de matière noire XENON1T limitent la taille effective des particules de matière noire à 4,1X10-47 centimètres carrés—un billionième d'un billionième de centimètre carré—la limite la plus stricte encore déterminée pour la matière noire telle qu'établie par le monde détecteur le plus sensible.

Les résultats, présenté lundi lors d'un séminaire en Italie au Laboratoire souterrain du Gran Sasso (LNGS), ont été produits en utilisant un volume cible actif de 1, 300 kilogrammes de Xénon, la première recherche de matière noire qui a suivi l'équivalent d'une tonne de xénon pendant une année entière.

"Nous avons maintenant la limite la plus stricte pour ce qu'on appelle" la section efficace WIMP-nucléon, ' qui est une mesure de la taille effective de la matière noire, ou à quel point il interagit avec la matière normale, " a déclaré Ethan Brown, membre de la Collaboration XENON, et professeur adjoint de physique, Physique appliquée, et l'astronomie à l'Institut polytechnique Rensselaer. « Avec ces résultats, nous avons maintenant testé de nombreux nouveaux modèles théoriques de la matière noire et placé les contraintes les plus fortes sur ces modèles à ce jour."

La matière noire est théorisée comme l'un des constituants de base de l'univers, cinq fois plus abondante que la matière ordinaire. Mais parce que les particules de matière noire connues sous le nom de "particules massives à interaction faible, " ou " WIMPs, " ne peut pas être vu et interagit rarement avec la matière ordinaire, leur existence n'a jamais été confirmée.

Plusieurs mesures astronomiques ont corroboré l'existence de la matière noire, menant à un effort mondial pour observer directement les interactions des particules de matière noire avec la matière ordinaire. Jusqu'à présent, les interactions se sont avérées si faibles qu'elles ont échappé à la détection directe, obligeant les scientifiques à construire des détecteurs toujours plus sensibles.

Depuis 2002, la Collaboration XENON, intégrant 165 scientifiques de 12 pays, a exploité trois détecteurs de xénon liquide successivement plus sensibles dans le LNGS en Italie, et XENON1T est son projet le plus puissant à ce jour et le plus grand détecteur de ce type jamais construit. Les interactions des particules dans le xénon liquide créent de minuscules éclairs de lumière, et le détecteur est destiné à capturer le flash des rares occasions où une particule de matière noire entre en collision avec un noyau de xénon.

Les résultats analysent 279 jours de données, selon Elena Aprile, professeur à l'Université Columbia et chef de projet. Pendant ce temps, seuls deux événements de fond étaient attendus au plus profond, région la plus propre du détecteur. Cependant, aucun événement n'a été détecté, suggérant que les particules de matière noire doivent être encore plus petites qu'on ne le pensait auparavant. Une partie de l'analyse des données a été réalisée à Rensselaer, alors que les scientifiques des instituts collaborateurs du monde entier se sont réunis à l'Institut à la fin de 2018 pour examiner les données et finaliser les routines d'analyse qui élimineraient les informations non pertinentes des données collectées.

La sensibilité du détecteur est fonction de sa taille et de son "silence". Bien que les interactions avec la matière noire soient rares, les interactions avec d'autres formes de matière sont fréquentes, et un détecteur sensible est conçu pour minimiser ces interactions. Pour le protéger de la radioactivité naturelle dans la caverne, le détecteur (ce qu'on appelle une chambre à projection temporelle liquide au xénon) se trouve dans un cryostat immergé dans un réservoir d'eau. Une montagne au-dessus du laboratoire souterrain protège davantage le détecteur des rayons cosmiques.

Même à l'abri du monde extérieur, les contaminants s'infiltrent dans le xénon à partir des matériaux utilisés dans le détecteur lui-même et, parmi ses contributions, Brown est responsable d'un système de purification sophistiqué qui nettoie en permanence le xénon dans le détecteur. Avec l'augmentation de la taille des détecteurs, il en va de même de la complexité du système de purification - non seulement il y a plus de xénon à nettoyer, mais il doit être maintenu plus propre afin que la lumière et la charge puissent se déplacer à travers le plus grand volume du détecteur. Dans la phase actuelle, Brown a déclaré que son équipe "s'est agrandie, ajouter plus de pompes et plus de purificateurs" au système.

"Notre travail a maintenu un haut niveau de pureté pour la plus grande quantité de xénon sur la plus longue période de temps jamais, " a déclaré Brown. "C'est un accomplissement qui permet à d'autres expériences de s'appuyer sur les performances de ce système de purification."

Dans la phase suivante, Brown présentera une nouvelle solution, une pompe nouvellement conçue construite avec des pièces ultra propres dans son laboratoire de Rensselaer en collaboration avec des chercheurs de Stanford et de l'Université de Muenster en Allemagne. Lorsque les pompes actuelles contribuent entre un tiers et la moitié du radon total dans l'expérience, les nouvelles pompes seront essentiellement sans radon, en supprimant l'une des plus grandes contributions à l'arrière-plan.