Les chercheurs examinent le détecteur au xénon LUX-ZEPLIN enveloppé d'une feuille. Crédit :Matt Kapust
Le composant clé de l'expérience LUX-ZEPLIN est prêt à être scellé et descendu à près de 1,5 km sous terre, où il recherchera la matière noire.
La matière noire est une forme mystérieuse de matière qui représenterait environ 85 % de la masse de l'univers. Cependant, car il est prévu qu'il n'interagira que très faiblement avec la matière ordinaire, il n'a pour l'instant pas été détecté.
LUX-ZEPLIN (LZ) sera l'expérience sur la matière noire la plus sensible jamais construite. Le 26 juillet, les chercheurs ont fini d'assembler sa pièce maîtresse, la chambre à projection temporelle au xénon liquide (TPC), à l'installation de recherche souterraine de Sanford dans le Dakota du Sud, NOUS..
"Ce détecteur de xénon sera au cœur de l'expérience LZ sur la matière noire, " a déclaré le professeur Henrique Araújo, du Département de physique de l'Imperial College de Londres, qui dirige les efforts de collaboration LZ au Royaume-Uni et a codirigé le développement du TPC avec le professeur Tom Shutt du SLAC National Accelerator Laboratory.
13, 500 heures d'efforts
Pour assembler le TPC, 250 membres de 37 institutions du monde entier se sont réunis pour assurer la mécanique, optique, électrique, les exigences radiologiques et de propreté du projet ont été respectées.
Le détecteur au xénon LUX-ZEPLIN récemment assemblé dans la salle blanche du laboratoire d'assemblage de surface de l'installation de recherche souterraine de Sanford le 26 juillet 2019. Crédit :Matt Kapust.
La fabrication des dizaines de milliers de composants qui composent le TPC a débuté en 2015, et l'assemblage de l'instrument a commencé en décembre 2018. L'étape d'intégration a impliqué 13, 500 heures d'efforts, dont une fraction importante a été consacrée au maintien des conditions d'ultra-propreté requises dans le laboratoire d'assemblage au niveau de la surface.
Prochain, il sera inséré dans son cryostat - une chambre qui maintient des températures froides - et descendu à près de 1,5 km sous terre dans une mine d'or désaffectée, prêt à détecter, espérons-le, la matière noire. Le démarrage des opérations est prévu mi-2020.
"Nous avons des points communs avec un programme spatial, " dit le professeur Araújo. " Avant de vous lancer, vous faites tout votre travail sur le terrain pendant des années, perfectionner l'ingénierie pour que votre instrument fonctionne quoi qu'il arrive. LZ est un peu comme une expérience spatiale, vient de prendre la direction opposée. Nous ne pouvons pas l'exposer à l'air souterrain, cela compromettrait ses performances. Une fois que vous l'avez déployé sous terre, c'est ça. Il faut que ça marche."
Détection des WIMPs
Une fois sous terre, le détecteur sera refroidi à -100°C et rempli de dix tonnes de xénon liquide. Parce que le xénon est un élément lourd, il y a plus de chances que les atomes de xénon interagissent avec des particules hypothétiques de matière noire appelées WIMPs, des particules massives interagissant faiblement.
Les chercheurs pensent que si une WIMP interagit avec un atome de xénon, il produira deux éclairs de lumière. L'un apparaît rapidement, lorsque la particule entre en collision avec un atome de xénon, qui recule à travers le liquide. La seconde est générée par des électrons secoués par la collision, qui sont guidés vers le haut du détecteur et accélérés à travers une couche de xénon gazeux au-dessus du liquide.
Le détecteur est inspecté sous lumière UV. Crédit :Nicolas Angélides
Bien que ces éclairs soient imperceptibles à l'œil humain, le détecteur est garni de centaines de tubes photomultiplicateurs. Ces capteurs ultrasensibles peuvent amplifier un signal à partir d'un seul photon de lumière.
Des décennies de développement
La conception TPC employée par LZ a été perfectionnée au cours de décennies d'expérimentation avec des détecteurs similaires qui permettent aux chercheurs de déterminer où une interaction se produit, et si cela est probablement dû à une interaction de fond dans l'instrument ou à un véritable signal de matière noire. Parmi ceux-ci se trouvaient l'expérience ZEPLIN-III à la mine Boulby dans le North Yorkshire, dirigé par Impérial, et l'expérience LUX menée par les États-Unis, qui a donné naissance à LZ.
Être enfoui profondément sous terre protège l'expérience de trop d'interactions de fond provenant de processus facilement détectés à la surface qui pourraient obscurcir un signal de matière noire, comme les rayons cosmiques qui inondent la Terre depuis l'espace.
Le professeur Shutt a déclaré :« Le TPC est un système complexe et c'est une réalisation majeure de l'avoir entièrement assemblé. Cela nous rapproche d'un pas important pour pouvoir rechercher la matière noire.
"C'est également gratifiant car cela impliquait l'assemblage d'un grand nombre de sous-systèmes conçus et construits par des groupes à travers les États-Unis et le Royaume-Uni sur un certain nombre d'années. Donc, c'est une sorte de rassemblement pour la collaboration."
