Les détecteurs de matière noire exotique


Si les objets sombres de nature baryonique sont difficiles à observer, la tâche est encore plus ardue lorsqu’il s’agit de détecter les particules qui pourraient composer la matière noire exotique.

Les détecteurs de neutrinos

Le neutrino est une particule dépourvue de charge électrique et de masse très faible. La probabilité de réaction entre un neutrino et une particule ordinaire est extrêmement faible. Le seul moyen d’en capturer est donc d’augmenter les chances de rencontre en construisant un détecteur contenant une énorme quantité de particules ordinaires.

Ceci fut tenté pour la première fois en 1967 dans une mine d’or à Homestake dans le Dakota du Sud. Le détecteur consistait en une cuve contenant 400.000 litres d’une substance chlorée. Même si l’immense majorité des neutrinos passait sans problème à travers la cuve, il arrivait que l’un d’eux interagisse avec un noyau de chlore. Celui-ci se transformait alors en un noyau d’argon qui à son tour se désintégrait rapidement. C’est le résultat de cette désintégration qui pouvait être facilement détecté et révéler la capture d’un neutrino.

Depuis cette époque, d’autres détecteurs ont été construits, basés soit sur un principe similaire, soit sur la détection de l’effet Cerenkov (l’équivalent pour la lumière de l’onde de choc d’un avion qui passe le mur du son). Ces détecteurs sont tous placés dans des zones souterraines pour réduire au maximum l’interférence des rayonnements cosmiques qui risquerait de fausser les résultats.

On peut citer en particulier l’expérience Gallex opérationnelle entre 1991 et 1997 dans le tunnel de Gran Sasso en Italie avec 30 tonnes de gallium en solution, l’observatoire de Sudbury au Canada qui a fonctionné entre 1999 et 2006 avec 1000 tonnes d’eau lourde et le détecteur Super-Kamiokande à Kamioka au Japon en opération depuis 1996 avec 50.000 tonnes d’eau.

Plus récents et plus exotiques encore, on trouve le réseau AMANDA (devenu le télescope IceCube en 2005) au pôle sud géographique avec des détecteurs placés sous plus de 800 mètres de glace depuis 1993 et le projet ANTARES aves des détecteurs placés au large de Toulon sous 2500 mètres d’eau depuis 2008.

Ces détecteurs ont confirmé la masse non nulle du neutrino mais n’ont pas pu mesurer cette masse et le problème de la contribution des neutrinos à la densité de l’Univers n’est toujours pas résolu définitivement. Les expériences indiquent néanmoins que la masse du neutrino est trop faible pour que cette particule ait un impact significatif sur la matière noire.

Sudbury

Le détecteur de l’observatoire de neutrinos de Sudbury au Canada pendant sa construction. Cet observatoire a été opérationnel entre 1999 et 2006. Crédit : Ernest Orlando/LBNL/SNO

Les détecteurs de particules massives à faible interaction

Les particules massives à faible interaction (WIMP en anglais) sont hypothétiques et n’ont jamais été observées de façon certaine à ce jour. Capturer ces particules n’est pas une mince affaire mais de nombreux projets ont néanmoins vu le jour.

On peut citer en particulier l’expérience DAMA/LIBRA dans le tunnel de Gran Sasso depuis 2003 (anciennement DAMA/NaI entre 1996 et 2002), la collaboration CRESST dans le même laboratoire depuis 2003, le projet CDMS dans une mine de fer du Minnesota depuis 2003, l’expérience CoGeNT dans le même site depuis 2009 et l’expérience EDELWEISS dans le tunnel routier du Fréjus depuis 2006.

Ces projets s’appuient sur le fait que même si l’interaction de ces particules avec la matière ordinaire est très faible, elle existe et il doit être possible de la mettre en évidence. En guise d’exemple, le détecteur de l’expérience CDMS est constitué d’un gros cristal de germanium refroidi à quelques millièmes de degrés du zéro absolu pour faire disparaître toute agitation thermique. Du fait du mouvement de la Terre par rapport au halo de matière non baryonique, une multitude de particules massives à faible interaction traversent le détecteur chaque seconde. Il arrive, très rarement, que l’une d’entre elles interagisse avec un noyau de germanium.

Cette particule introduit alors une quantité infime d’énergie dans le détecteur et y crée une très faible ionisation. En mesurant en permanence la température et la charge électrique du cristal, il est théoriquement possible d’observer le phénomène, donc de détecter les particules exotiques. Le nombre de détections est évidemment très limité, en théorie de l’ordre d’une tous les 10 jours pour un détecteur d’un kilogramme. Notons que les signaux parasites dus à d’autres particules peuvent être détectés en analysant soigneusement la quantité d’énergie déposée et la charge électrique créée.

Les expériences DAMA/LIBRA, CRESST et CoGeNT ont toutes les trois annoncé des détections positives mais, étant donné la complexité de ces expériences, le risque de fausse alerte et le manque de concordance entre les différentes mesures, aucun consensus sur la validité de ces détections n’a pour l’instant été obtenu dans la communauté scientifique.


Page mise à jour le 11 juillet 2015 par Olivier Esslinger