Dessin schématique de la future expérience CDEX-100. Crédit :Elle et al.
Les observations cosmologiques et astrophysiques passées suggèrent que plus d'un quart de la densité énergétique de l'univers est constitué d'un type de matière non conventionnel connu sous le nom de matière noire. On pense que ce type de matière est composé de particules qui n'absorbent pas, émettre ou réfléchir de la lumière, et ne peuvent donc pas être observés directement à l'aide des méthodes de détection conventionnelles.
Des chercheurs du monde entier ont mené des études visant à détecter la matière noire dans l'univers, pourtant jusqu'ici, aucun d'entre eux n'a réussi. Même le candidat préféré pour la matière noire, les particules massives à interaction faible (WIMPs), n'ont pas encore été observés expérimentalement.
La collaboration China Dark Matter Experiment (CDEX), une grande équipe de chercheurs de l'Université Tsinghua et d'autres universités en Chine, a récemment mené une recherche d'un autre candidat possible de matière noire connu sous le nom de photon noir. Alors que la recherche n'a pas abouti, leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , identifie de nouvelles contraintes sur un paramètre de photon sombre qui pourraient éclairer de futures études.
"Le photon noir, une hypothétique particule invisible, est un candidat attractif pour la matière noire, qui pourrait aussi être un nouveau médiateur d'interaction entre la matière noire et la matière normale, " Qian Yue, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "L'étude et la détection de la matière noire peuvent contribuer à l'extension du modèle standard (SM) de la physique des particules et élargir notre connaissance de l'univers."
La collaboration CDEX mène des recherches de matière noire légère depuis un certain temps déjà, à l'aide d'un détecteur au germanium à contact ponctuel de type p de 10 kg installé au laboratoire souterrain de Chine Jinping (CJPL). Le CJPL est l'installation de recherche souterraine la plus profonde au monde, avec un mort-terrain rocheux de 2400 mètres.
Schéma du montage expérimental CDEX-10 avec chaîne de détection. Crédit :Elle et al.
Le détecteur utilisé par les chercheurs se compose de trois chaînes de détecteurs de germanium à trois éléments, entouré de 20 cm d'épaisseur, haute pureté, cuivre sans oxygène, qui agit comme un bouclier passif contre la radioactivité ambiante. Cet instrument est directement immergé dans l'azote liquide pour maintenir des températures relativement fraîches.
"Les photons sombres peuvent être détectés expérimentalement par leur absorption et leur conversion en électrons dans les détecteurs au germanium dans un processus analogue à l'effet photoélectrique des photons SM, " Yue a expliqué. " Sources de photons intenses, par exemple., le soleil, fournir une excellente plate-forme pour rechercher des photons sombres. Dans une plage de 100 eV, le seuil de faible énergie des détecteurs au germanium à contact ponctuel est particulièrement adapté aux études des photons sombres."
Dans leur récent article, Yue et ses collègues ont analysé les données collectées à l'aide du détecteur au CJPL entre février 2017 et août 2018, la recherche de photons sombres solaires et de photons sombres, deux candidats à la matière noire. Bien que les chercheurs n'aient pas pu observer de signaux pointant vers l'un ou l'autre de ces candidats, ils ont réussi à définir des contraintes sur le paramètre de mélange cinétique effectif entre les photons sombres et les photons SM.
"En tant que candidat attractif pour la matière noire et nouveau médiateur d'interaction possible entre la matière noire et la matière normale, le photon noir est attrayant pour d'autres efforts théoriques et expérimentaux, ", a déclaré Yue. "Notre travail a sondé un nouvel espace de paramètres et fixé les limites les plus strictes sur les photons sombres solaires parmi les expériences de détection directe."
L'étude récente menée par Yue et ses collègues fournit de nouvelles informations précieuses qui pourraient éclairer les futures recherches sur la matière noire, en particulier pour les photons sombres. De plus, leur travail renforce l'intérêt mondial actuel pour l'exploration d'autres candidats à la matière noire, dépasser les WIMPs et leur canal de détection de diffusion élastique avec le noyau.
"Pour faire avancer la recherche de la matière noire légère, nous allons réinstaller le réseau de détecteurs CDEX-10 dans un nouveau, plus grand cryo-réservoir d'azote liquide d'un volume d'environ 1700 m 3 au Hall-C du nouveau laboratoire CJPL-II dans les deux prochaines années, où la protection contre la radioactivité ambiante est assurée par l'azote liquide de 6 mètres d'épaisseur, " Yue a dit. " Détecteurs de germanium supplémentaires, jusqu'à environ 100 kg, sont prévues pour un déploiement dans le cryo-réservoir avec un bruit de fond réduit et une efficacité de détection plus élevée. »
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