Assis à un mile sous terre dans une mine d'or abandonnée du Dakota du Sud se trouve un gigantesque cylindre contenant 10 tonnes de xénon liquide purifié étroitement surveillé par plus de 250 scientifiques du monde entier. Ce réservoir de xénon est au cœur de l'expérience LUX-ZEPLIN (LZ), un effort pour détecter la matière noire, la mystérieuse substance invisible qui constitue 85 % de la matière de l'univers.

"Les gens recherchent la matière noire depuis plus de 30 ans, et personne n'a encore eu de détection convaincante", a déclaré Dan Akerib, professeur de physique des particules et d'astrophysique au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l'énergie (DOE). Mais avec l'aide de scientifiques, d'ingénieurs et de chercheurs du monde entier, Akerib et ses collègues ont fait de l'expérience LZ l'un des détecteurs de particules les plus sensibles de la planète.

Pour atteindre ce point, les chercheurs du SLAC se sont appuyés sur leur expertise dans le travail avec les nobles liquides - les formes liquides de gaz nobles tels que le xénon - notamment en faisant progresser les technologies utilisées pour purifier les nobles liquides eux-mêmes et les systèmes de détection des interactions rares de la matière noire dans ces liquides. Et, a déclaré Akerib, ce que les chercheurs ont appris aidera non seulement la recherche de matière noire, mais également d'autres expériences à la recherche de processus de physique des particules rares.

"Ce sont des mystères vraiment profonds de la nature, et cette confluence de la compréhension du très grand et du très petit en même temps est très excitante", a déclaré Akerib. "Il est possible que nous puissions apprendre quelque chose de complètement nouveau sur la nature."

À la recherche de matière noire profondément sous terre

L'un des principaux candidats actuels pour la matière noire est les particules massives à faible interaction, ou WIMP. Cependant, comme le suggère l'acronyme, les WIMP interagissent à peine avec la matière ordinaire, ce qui les rend très difficiles à détecter, malgré le fait qu'il y en ait théoriquement beaucoup qui nous passent tout le temps.

Pour relever ce défi, l'expérience LZ s'est d'abord enfoncée profondément dans l'ancienne mine d'or Homestake, qui est maintenant le Sanford Underground Research Facility (SURF) à Lead, dans le Dakota du Sud. Là, l'expérience est bien protégée du bombardement constant de rayons cosmiques à la surface de la Terre, une source de bruit de fond qui pourrait rendre difficile la détection de matière noire difficile à trouver.

Même dans ce cas, trouver de la matière noire nécessite un détecteur sensible. Pour cette raison, les scientifiques se tournent vers les gaz nobles, qui sont également notoirement réticents à réagir avec quoi que ce soit. Cela signifie qu'il y a très peu d'options pour ce qui pourrait se passer lorsqu'une particule de matière noire, ou WIMP, interagit avec l'atome d'un gaz noble, et donc moins de chances que les scientifiques ratent une interaction déjà difficile à trouver.

Mais quel noble ? Il s'avère que "le xénon est un noble particulièrement bon pour détecter la matière noire", a déclaré Akerib. La matière noire interagit le plus fortement avec les noyaux, et l'interaction devient encore plus forte avec la masse atomique de l'atome, a expliqué Akerib. Par exemple, les atomes de xénon sont un peu plus de trois fois plus lourds que les atomes d'argon, mais on s'attend à ce qu'ils aient des interactions avec la matière noire plus de dix fois plus fortes.

Un autre avantage :"Une fois que vous aurez purifié d'autres contaminants du xénon liquide, il sera très silencieux par lui-même", a déclaré Akerib. En d'autres termes, il est peu probable que la désintégration radioactive naturelle du xénon empêche la détection des interactions entre les WIMP et les atomes de xénon.

Juste le xénon, s'il vous plaît

L'astuce, a déclaré Akerib, consiste à obtenir du xénon pur, sans lequel tous les avantages du gaz noble sont sans objet. Cependant, les gaz nobles purifiés ne sont pas facilement disponibles - le fait qu'ils n'interagissent pas avec grand-chose signifie également qu'ils sont généralement assez difficiles à séparer les uns des autres. Et, "malheureusement, vous ne pouvez pas simplement acheter un purificateur standard qui purifiera les gaz nobles", a déclaré Akerib.

Akerib et ses collègues du SLAC ont donc dû trouver un moyen de purifier tout le xénon liquide dont ils avaient besoin pour le détecteur.

Le plus gros contaminant du xénon est le krypton, qui est le deuxième gaz noble le plus léger et possède un isotope radioactif, qui pourrait masquer les interactions que les chercheurs recherchent réellement. Pour empêcher le krypton de devenir la kryptonite du détecteur de particules, Akerib et ses collègues ont passé plusieurs années à perfectionner une technique de purification du xénon en utilisant ce qu'on appelle la chromatographie au charbon de bois. L'idée de base est de séparer les ingrédients d'un mélange en fonction de leurs propriétés chimiques lorsque le mélange est transporté à travers une sorte de milieu. La chromatographie sur charbon de bois utilise de l'hélium comme gaz porteur pour le mélange et du charbon de bois comme milieu de séparation.

"Vous pouvez considérer l'hélium comme une brise régulière à travers le charbon de bois", a expliqué Akerib. "Chaque atome de xénon et de krypton passe une fraction de temps collé sur le charbon de bois et un autre temps non collé. Lorsque les atomes sont dans un état non collé, la brise d'hélium les balaie dans la colonne." Plus ils sont petits, moins les atomes de gaz nobles sont collants, ce qui signifie que le krypton est un peu moins collant que le xénon, il est donc balayé par la "brise" d'hélium non collante, séparant ainsi le xénon du krypton. Les chercheurs pourraient alors capturer le krypton et le jeter, puis récupérer le xénon, a déclaré Akerib. "Nous avons fait cela pour quelque chose comme 200 bouteilles de gaz xénon - c'était une campagne assez importante."

L'expérience LZ n'est pas la première expérience que le SLAC a été impliqué dans une tentative de recherche d'une nouvelle physique avec le xénon. L'expérience Enriched Xenon Observatory (EXO-200), qui s'est déroulée de 2011 à 2018, a isolé un isotope spécifique du xénon pour rechercher un processus appelé double désintégration bêta sans neutrinos. Les résultats de l'expérience suggèrent que le processus est incroyablement rare, mais une nouvelle recherche proposée appelée Next EXO (nEXO) poursuivra la recherche en utilisant un détecteur similaire à celui de LZ.

A different sort of electrical grid

No matter what liquid noble fills the detector, a sophisticated detection system is crucial if scientists ever hope to find something like dark matter. Above and below the tower of liquid xenon for the LZ experiment are large, high-voltage grids that create electric fields in the detector. If a dark matter particle collides with a xenon atom and knocks a few electrons off, it will free some electrons from the atom and separately create a burst of light that can be detected by photo detectors, explained Ryan Linehan, a recent Ph.D. graduate from SLAC's LZ group who helped develop the high voltage grids. Electric fields running through the detector then drive the free electrons up into a thin layer of gas at the top of the cylinder where they create a second light signal. "We can use that second signal together with the original signal to learn a lot of information about position, energy, particle type, and more," Linehan said.

But these aren't your average electrical grids—they're carrying tens of thousands of volts, so high that any microscopic bits of dust or debris on the wire grid can cause spontaneous reactions that rip electrons out of the wire itself, Linehan said. "And those electrons can create signals that look just like the electrons that came from the xenon," thus masking the signals they are trying to detect.

The researchers came up with two main ways to minimize the chances of getting false signals from the grids, Linehan said. First, the team used a chemical process called passivation to remove iron from the surface of the grid wires, leaving a chromium-rich surface that reduces the tendency of the wire to emit electrons. Second, to remove any dust particles, the researchers thoroughly—and very carefully—sprayed the grids with deionized water immediately before installation. "Those processes together helped us get the grids to a state where we could actually get clear data," he said.

The LZ team published their first results online in early July, having pushed the search for dark matter farther than it's ever gone before.

Linehan and Akerib said they're impressed by what LZ's global collaboration has been able to accomplish. "Together, we're learning something fundamental about the universe and the nature of matter," Akerib said. "And we're just getting started."

The LZ effort at SLAC is led by Akerib, together with Maria Elena Monzani, a lead scientist at SLAC and LZ deputy operations manager for computing and software, and Thomas Shutt, who was the founding spokesperson of the LZ collaboration. + Explorer plus loin

Global team of scientists finish assembling next-generation dark matter detector