Les observations et mesures cosmologiques recueillies dans le passé suggèrent que la matière ordinaire, qui comprend des étoiles, galactique, le corps humain et d'innombrables autres objets/organismes vivants, ne représente que 20 % de la masse totale de l'univers. La masse restante a été théorisée pour se composer de ce qu'on appelle la matière noire, un type de matière qui n'absorbe pas, réfléchissent ou émettent de la lumière et ne peuvent donc être observés qu'indirectement par des effets gravitationnels sur son environnement environnant.

Bien que la nature exacte de ce type de matière insaisissable soit encore inconnue, au cours des dernières décennies, les physiciens ont identifié de nombreuses particules qui dépassent le modèle standard (la théorie décrivant certaines des principales forces physiques de l'univers) et qui pourraient être de bons candidats pour la matière noire. Ils ont ensuite essayé de détecter ces particules en utilisant deux types principaux de détecteurs de particules avancés :des détecteurs semi-conducteurs à l'échelle du gramme (généralement en silicium et utilisés pour rechercher de la matière noire de faible masse) et des détecteurs gazeux à l'échelle de la tonne (qui ont des seuils de détection d'énergie plus élevés et sont mieux adaptés pour effectuer des recherches de matière noire de masse élevée).

La Collaboration EDELWEISS, un groupe important de chercheurs travaillant à l'Université Lyon 1, Université Paris-Saclay et autres instituts en Europe, a récemment effectué la première recherche de matière noire inférieure au MeV à l'aide d'un détecteur à base de germanium(Ge). Alors que l'équipe était incapable de détecter la matière noire, ils fixent un certain nombre de contraintes qui pourraient éclairer les enquêtes futures.

"EDELWEISS est une expérience de recherche directe de matière noire. En tant que telle, notre objectif premier est de détecter la matière noire pour apporter la preuve irréfutable de son existence, " Quentin Arnaud, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Toujours, l'absence de détection est un résultat important en soi, car cela nous permet de tester et de définir des contraintes sur les modèles de particules de matière noire existants."

Il y a deux raisons principales pour lesquelles les particules de matière noire ont jusqu'à présent échappé à la détection. D'abord, la probabilité que ces particules interagissent avec la matière ordinaire, comme celui à l'intérieur des détecteurs de particules conventionnels, est extrêmement petit.

Seconde, le signal que les chercheurs s'attendent à ce qu'il provienne d'une particule de matière noire frappant le détecteur est inférieur de plusieurs ordres de grandeur aux signaux produits par la radioactivité naturelle. La détection de ces signaux nécessiterait donc des temps d'exposition des détecteurs très longs et l'utilisation d'instruments en matériaux radio-purs, mais qui sont également correctement protégés et exploités en profondeur, car cela les empêche de capter la radioactivité ambiante et les rayons cosmiques.

« Finalement (malgré tous nos efforts), il y aura toujours un arrière-plan résiduel contre lequel nous devons être en mesure de discriminer, " expliqua Arnaud. " Donc, nous développons des technologies de détection capables de déterminer si les signaux que nous détectons sont induits par une particule de matière noire ou proviennent du fond radioactif."

Arnaud et ses collègues ont été les premiers à rechercher de la matière noire inférieure au MeV en utilisant un détecteur cryogénique au germanium de 33,4 g au lieu d'un détecteur de particules à base de silicium. Ils ont spécifiquement recherché des particules de matière noire qui interagiraient avec les électrons. Le détecteur qu'ils utilisaient était exploité sous terre au Laboratoire Souterrain de Modane, en France.

« L'énergie déposée dans notre détecteur à la suite d'une interaction avec des particules de matière noire devrait être extrêmement faible ( <1 keV), " a déclaré Arnaud. " Lors de la recherche de particules de matière noire légère (masses sub-MeV), c'est encore pire :l'énergie déposée peut être aussi faible que quelques eV, des dépôts d'énergie si petits que seules quelques technologies de détection de pointe peuvent y être sensibles."

Le détecteur utilisé par la collaboration EDELWEISS est essentiellement constitué d'un cristal cylindrique de germanium refroidi à température cryogénique (18 mK soit -273, 13°C), avec des électrodes en aluminium de chaque côté du cristal, sur laquelle l'équipe a appliqué une différence de tension élevée. Les collisions entre les particules et les noyaux/atomes à l'intérieur du cristal conduisent à la production de paires électron-trou, qui induisent un petit signal de charge (c'est-à-dire, courant) lorsqu'ils dérivent vers les électrodes collectrices.

En outre, la collision d'une particule avec le réseau cristallin induit une petite augmentation de la température (c'est-à-dire, moins de 1 micro-Kelvin). Ce changement de température peut être mesuré à l'aide d'un capteur thermique très sensible appelé capteur dopé par transmutation neutronique (NTD). Comme les dépôts d'énergie qui devraient théoriquement provenir des particules de matière noire sub-MeV sont incroyablement petits (c'est-à-dire, dans l'échelle eV), cependant, le signal de charge associé serait trop faible pour être mesurable et l'augmentation de température trop faible pour être mesurée par un capteur NTD.

"Pour résoudre ce problème, notre détecteur exploite ce qu'on appelle l'effet Neganov-Trofimov-Luke (NTL) (qui dans une certaine mesure est similaire à l'effet Joule) :dans les détecteurs cryogéniques à semi-conducteurs, la dérive de N paires électron-trou à travers une différence de tension produit une chaleur supplémentaire dont l'énergie s'ajoute au dépôt initial, " a déclaré Arnaud. " Cet effet Neganov-Trofimov-Luke (NTL) transforme essentiellement un calorimètre cryogénique (fonctionnant à ΔV=0V) en un amplificateur de charge. Un petit dépôt d'énergie finit par provoquer une élévation de température élevée (mesurable) et il augmente la tension, plus le gain d'amplification est élevé."

Arnaud et ses collègues ont imposé de nouvelles contraintes au mélange cinétique des photons sombres. Globalement, les résultats qu'ils ont recueillis démontrent la grande pertinence et la valeur des détecteurs cryogéniques au germanium dans la recherche continue d'interactions avec la matière noire qui produisent des signaux électroniques à l'échelle eV.

La collaboration EDELWEISS développe actuellement un ensemble de détecteurs plus puissants appelés SELENDIS (Single ELectron Nuclear recoil DISCrimination). La caractéristique la plus importante de ces nouveaux détecteurs est une technique de discrimination innovante qui permettra à l'équipe de différencier les reculs nucléaires et électroniques jusqu'à une seule paire électron-trou avec la seule mesure des signaux thermiques plutôt que de nécessiter la mesure simultanée de deux observables ( par exemple, , chaleur/ionisation, ionisation/scintillation ou chaleur/scintillation), comme c'est le cas avec les techniques de discrimination proposées précédemment.

« Aucune technologie de détection actuellement existante ne peut combiner la sensibilité de détection d'un seul électron et les capacités de discrimination, " a déclaré Arnaud. " Les expériences de détection directe optimisées pour les recherches de matière noire de masse élevée sont très efficaces pour discriminer le signal du fond mais ont des seuils de détection d'énergie relativement élevés. Les expériences de recherche de matière noire à faible masse, y compris EDELWEISS, ont des seuils de détection de basse énergie sans précédent, mais ne peuvent pas discriminer le signal du fond. Avec SELENDIS, notre objectif est de combiner les deux en développant le premier détecteur combinant une sensibilité à une paire d'électrons-trous et des capacités de discrimination de fond."

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