Les limites d'exclusion à 90 pour cent observées (cercles remplis avec une ligne continue noire) sur l'interaction WIMP-nucléon sont indiquées avec des bandes pour la limite attendue en supposant l'hypothèse du bruit de fond uniquement. Les limites excluent une interprétation WIMP de DAMA/LIBRA-phase 1 de 3 σ région autorisée (contours de points). Les limites de NAIAD, la seule autre expérience à base d'iodure de sodium à fixer une limite compétitive, sont affichés en magenta. Crédit :IBS
Des preuves astrophysiques suggèrent que l'univers contient une grande quantité de matière noire non lumineuse, mais aucun signal défini n'a été observé malgré les efforts concertés de nombreux groupes expérimentaux. Une exception est l'affirmation longuement débattue du groupe DAMA d'une modulation annuelle des événements observés dans leur détecteur utilisant un matériau cible d'iodure de sodium, comme on pourrait s'y attendre des interactions de particules massives à faible interaction (WIMP) avec la matière noire. La nouvelle expérience COSINE-100, un détecteur souterrain de matière noire au laboratoire souterrain de Yangyang (Y2L) en Corée commence à explorer cette affirmation en utilisant le même milieu et a maintenant des premiers résultats qui remettent en cause de manière significative les interprétations faites par DAMA qui ont résisté pendant près de deux décennies. Y2L est exploité par le Center for Underground Physics (CUP) de l'Institute for Basic Science (IBS) en Corée.
Le puzzle du signal de DAMA, et ses incohérences avec les résultats d'autres expériences, ont donné lieu à des centaines de publications. De nombreux nouveaux modèles pour expliquer la matière noire ont ainsi été proposés et la controverse reste d'un grand intérêt scientifique et public.
Un point critique est que COSINE-100 étudie la prétendue détection de la matière noire du DAMA en utilisant le même matériau cible que le DAMA et est le premier à publier des résultats significatifs par ce moyen. Dans un article publié dans le numéro 7734 de la revue La nature , la collaboration décrit les résultats de la première phase de travail, une recherche du signal de matière noire en recherchant un excès d'événements par rapport au bruit de fond attendu. Cette étude indique qu'il n'y a pas de tels événements présents dans les données, confirmant que le signal de modulation annuel de DAMA est en forte tension avec les résultats d'autres expériences sous l'hypothèse du modèle Halo standard le plus traditionnel pour la matière noire dans notre galaxie, comme le montre la figure 1.
« Le résultat de cette recherche est significatif car, pour la première fois, nous avons d'importants détecteurs à cristaux d'iodure de sodium avec une sensibilité suffisante pour examiner la région du signal DAMA. Cela fait 20 ans que l'allégation potentiellement importante n'a pas été reproduite en utilisant les mêmes cristaux indépendamment, " a déclaré le co-porte-parole de COSINE-100 et le directeur associé de la CUP, Hyun Su Lee. "Les résultats initiaux découpent même une bonne partie de la zone de recherche de matière noire possible dessinée par le signal DAMA. En d'autres termes, il reste peu de place pour que cette affirmation provienne de l'interaction de la matière noire, à moins que le modèle de la matière noire ne soit considérablement modifié."
Le détecteur est contenu dans un agencement emboîté de composants de blindage illustré dans le schéma a). L'objectif principal du blindage est de fournir une couverture complète contre le rayonnement externe provenant de diverses sources de fond. Les composants de blindage comprennent des panneaux scintillateurs en plastique (bleu), une enceinte en briques de plomb (gris) et une boîte en cuivre (brun rougeâtre). Les huit ensembles de cristaux d'iodure de sodium encapsulés (schéma c)) sont situés à l'intérieur de la boîte en cuivre et sont immergés dans un liquide scintillant, comme le montre le schéma b). Crédit :IBS
La collaboration COSINE-100 est composée de 50 scientifiques de Corée, les États-Unis (avec la co-porte-parole Professeur Reina Maruyama à l'Université de Yale), Le Royaume-Uni, Brésil, et l'Indonésie. COSINE-100 a commencé à prendre des données en 2016. L'expérience utilise huit cristaux d'iodure de sodium dopés au thallium à faible bruit de fond disposés en un réseau de 4 par 2, donnant une masse cible totale de 106 kg. Chaque cristal est couplé à deux photocapteurs pour mesurer la quantité d'énergie déposée dans le cristal. Les assemblages de cristaux d'iodure de sodium sont immergés dans 2, 200 L de liquide électroluminescent, ce qui permet l'identification et la réduction ultérieure des fonds radioactifs observés par les cristaux. Le scintillateur liquide est entouré de cuivre, mener, et scintillateur en plastique pour réduire la contribution de fond du rayonnement externe, ainsi que des muons cosmiques. Le schéma du détecteur est illustré à la Fig. 2.
"Jusque là, nous n'avons pas encore découvert les particules de matière noire dans cette recherche, mais nous nous sommes rapprochés du test de l'origine du signal DAMA pour savoir s'il s'agit d'interactions de matière noire ou d'un effet systématique inconnu, " dit Chang Hyon Ha, chercheur au CUP.
Malgré les preuves solides de son existence, l'identité de la matière noire reste un mystère. Plusieurs années de données seront nécessaires pour confirmer ou infirmer pleinement les résultats de modulation annuels de DAMA. Une meilleure compréhension théorique et davantage de données du détecteur COSINE amélioré (COSINE-200) aideront à comprendre le mystère du signal. Pour aider à atteindre cet objectif, CUP construit actuellement un nouveau site expérimental dans un endroit plus profond et plus spacieux, appelé Laboratoire Yemi dans le comté de Jeongseon. COSINE-100 collecte actuellement des données avec une amélioration continue de la compréhension du détecteur. Yeongduk Kim, Hyun Su Lee, Reina Maruyama, et Neil Spooner a conçu l'expérience COSINE-100.
