Le concept de détection imaginé par les chercheurs. Crédit :Abramoff et al.
Dans une étude récente, une équipe de chercheurs a présenté de nouvelles contraintes de détection directe sur la matière noire eV à GeV interagissant avec les électrons, à l'aide d'un nouveau prototype de détecteur développé dans le cadre du projet Sub-Electron-Noise Skipper-CCD Experimental Instrument (SENSEI). La collaboration SENSEI est composée de chercheurs de plusieurs institutions, dont le Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Université Stony Brook, Université de Tel-Aviv et Université de l'Oregon.
"L'objectif de SENSEI est de rechercher la matière noire dans la gamme de masse 1 eV à 1 GeV, c'est-à-dire plusieurs ordres de grandeur en masse en dessous du proton, " Rouven Essig, l'un des chercheurs qui a mené l'étude et membre du corps professoral de l'Université Stony Brook, dit Phys.org. "Cela peut être fait en recherchant les interactions de la matière noire avec les électrons. Cependant, effectuer une telle recherche nécessite des détecteurs ultra-sensibles, depuis quand la matière noire disperse un électron, il ne produit qu'une infime quantité de charge dans un détecteur. SENSEI utilise des dispositifs à couplage de charge (CCD) qui ont un bruit de lecture ultra-faible, ce qu'on appelle les Skipper-CCD."
Les Skipper-CCD utilisés par SENSEI ont été développés dans le cadre d'une collaboration R&D entre Fermilab et Berkeley Lab. Dans les études précédentes, le bruit de lecture était un facteur limitant, car cela limitait la précision avec laquelle la charge dans les CCD pouvait être mesurée. L'utilisation de nouveaux capteurs permet désormais aux chercheurs d'atteindre une mesure précise de cette charge, ce qui à son tour permet une recherche d'interactions entre la matière noire et les électrons à des niveaux sans précédent.
Le prototype Skipper-CCD utilisé par les chercheurs. Crédit :Abramoff et al.
Dans leur étude, la Collaboration SENSEI a collecté des données dans le Hall MINOS, une caverne de 120 pieds de long située à 350 pieds sous la surface du campus Fermilab. La caverne MINOS contient une version plus petite du détecteur MINOS au Soudan, qui sert à mesurer les propriétés des neutrinos.
« Nous avons pris plusieurs ensembles de données avec un petit 0,1 gramme, prototype Skipper-CCD à l'installation souterraine MINOS au Laboratoire Fermi, " a expliqué Juan Estrada, un scientifique du Fermilab qui a participé à l'étude. "Ce prototype a été emballé et protégé dans un récipient en cuivre."
Les chercheurs ont réalisé une série d'expériences. Premièrement, ils ont lu le Skipper CCD accumulant en continu une exposition de 0,177 g/jour. Bien qu'ils n'aient observé aucun événement impliquant trois électrons ou plus, ils ont trouvé un grand taux d'événements de fond à un et deux électrons. Ils ont attribué cette découverte à des événements parasites induits par l'amplificateur dans l'étage de lecture Skipper-CCD.
Le prototype Skipper-CCD utilisé par les chercheurs. Crédit :Abramoff et al.
Le prototype Skipper-CCD utilisé par les chercheurs. Crédit :Abramoff et al.
La collaboration SENSEI a également testé une deuxième stratégie, ce qui impliquait de prendre cinq ensembles de données tout en éteignant tous les amplificateurs et en exposant le CCD Skipper pendant 120k. Ensuite, les chercheurs ont lu les données via le meilleur prototype d'amplificateur à leur disposition. Dans ce cas, ils ont observé un taux d'événements à un électron qui était presque 2 ordres de grandeur inférieur au taux d'événements observé dans leur expérience de lecture continue. Encore une fois, ils n'ont observé aucun événement contenant trois électrons ou plus, pour une exposition de 0.069g/jour.
"Nos données ont pu poser de nouvelles contraintes sur la matière noire, incluant les meilleures contraintes sur la diffusion par la matière noire des électrons pour des masses comprises entre 500 keV et 5 MeV, " dit Tien-Tien Yu, un membre du corps professoral de l'Université de l'Oregon qui a réalisé l'étude. "Ces données ont été prises avec un prototype de détecteur. L'un de nos principaux objectifs était d'améliorer notre compréhension du comportement du détecteur afin que nous soyons prêts à collecter des données avec des capteurs améliorés à l'avenir."
La collaboration SENSEI a utilisé les données collectées dans leur étude pour dériver des contraintes de pointe sur la diffusion des électrons de la matière noire (pour des masses comprises entre 500 keV et 5 MeV), ainsi que sur la matière noire à photons noirs absorbée par les électrons (pour une gamme de masses inférieures à 12,4 eV). Ces résultats pourraient améliorer leur compréhension des détecteurs et finalement éclairer la collecte de données à l'aide de capteurs plus avancés.
Le prototype Skipper-CCD utilisé par les chercheurs. Crédit :Abramoff et al.
« Nous achetons maintenant de nouveaux, Skipper-CCD améliorés, avec lequel nous allons construire un détecteur beaucoup plus grand, " a déclaré Javier Tiffenberg, un scientifique du Fermilab qui a participé à l'étude. "Après avoir testé les nouveaux capteurs, nous prendrons de nouvelles données au Fermilab ainsi qu'au SNOLAB (Canada) pour rechercher la matière noire."
Actuellement, la collaboration SENSEI achète environ 100 g de nouveaux Skipper-CCD et de l'électronique personnalisée pour une expérience au SNOLAB, qui devraient être installés plus tard cette année. Selon les prédictions des chercheurs, ces capteurs devraient largement surpasser ceux actuels, avec des performances de bruit améliorées et un taux de comptage de noir inférieur.
Tomer Volansky, un membre du corps professoral de l'Université de Tel Aviv qui fait partie de la collaboration SENSEI, a déclaré:"La recherche résultante sondera les ordres de grandeur du nouvel espace de paramètres de la matière noire. Nous sommes très enthousiastes à propos de ce qui nous attend."
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