Cette illustration représente une particule de matière noire. Les scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge ont essayé de surveiller cette particule insaisissable à l’aide du détecteur de neutrinos de Neutrino Alley.
Les scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge ont tenté d’observer la matière noire dans un couloir de sous-sol très éclairé en utilisant la sensibilité de leur détecteur de neutrinos. Neutrino Alley, où travaille l’équipe, est située sous la Spallation Neutron Source, un puissant accélérateur de particules. Après des années de calculs théoriques, l’équipe COHERENT s’est lancée dans l’observation de la matière noire, dont on estime qu’elle représente 85 % de la masse de l’univers. L’expérience permettra à l’équipe d’étendre la recherche mondiale de matière noire de nouvelles façons, et ils prévoient de recevoir des détecteurs plus grands et plus sensibles pour augmenter leurs chances d’attraper des particules de matière noire.
Peu de choses portent la même aura de mystère que la matière noire. Le nom lui-même rayonne de secret, indiquant quelque chose de caché dans l’ombre de l’univers.
Appelé une équipe collaborative de scientifiques cohérentdont Kate Schulberg, professeur émérite de physique des arts et des sciences, Philip Barbeau, professeur agrégé de physique, et le chercheur postdoctoral Daniel Berchie, ont tenté de faire sortir la matière noire de l’ombre de l’univers vers des destinations moins glamour : lumières vives, tunnels étroits sous-sol.
Pas un donjon ordinaire. Travaillant dans une zone du laboratoire national d’Oak Ridge surnommée Neutrino Alley, l’équipe se concentre généralement sur les particules subatomiques appelées neutrinos. Ils sont produits lorsque les étoiles meurent et deviennent supernova, ou à des niveaux plus proches de la Terre, en tant que sous-produit des collisions de protons dans les accélérateurs de particules.
La matière noire, la matière invisible qui constitue 85% de la matière de l’univers, n’est pas cachée au plus profond des galaxies. Une équipe de scientifiques tente de le sortir de l’ombre. Crédit : X-Ray : NASA/CXO/Fabian et al. ; Radio : Gendron-Marsolais et al. ; Optique NRAO/AUI/NSF : NASA, SDSS
Ce n’est pas un hasard si Neutrino Alley est situé directement sous l’un des accélérateurs de particules les plus puissants au monde, celui d’Oak Ridge. Source spatiale de neutrons (SNS). Neutrino Alley abrite une collection de détecteurs spécialement conçus pour surveiller les neutrinos lorsqu’ils passent et entrent en collision avec eux.
Cependant, les neutrinos ne sont pas le seul sous-produit du processus SNS. La matière noire (à ne pas confondre avec l’antimatière préférée du méchant) est également produite lorsque les accélérateurs de particules écrasent les protons ensemble. Après des années de calculs théoriques, l’équipe COHERENT a entrepris d’exploiter la puissance du SNS et la sensibilité de son détecteur de neutrinos pour surveiller la matière noire dans Neutrino Alley.
“Et nous ne l’avons pas encore vu”, a déclaré Schulberg. “Bien sûr, si nous le voyons, ce sera plus excitant, mais ne pas le voir est en fait un gros problème.”
Il a expliqué que le fait que la matière noire n’ait pas été détectée par les détecteurs de neutrinos lui a permis d’améliorer les modèles théoriques de ce que pourrait être la matière noire.
“Nous savons exactement comment les détecteurs de matière noire réagiront si la matière noire a certaines propriétés, nous recherchons donc cette signature particulière.”
Kate Schulberg, co-auteur de Grayson Rich et Philip Barbeau. Crédit : Long Li/Duke University
Les empreintes digitales en question sont la façon dont les noyaux atomiques du détecteur de neutrinos rebondissent lorsqu’ils frappent des neutrinos, ou dans ce cas, des particules de matière noire.
“C’est comme lancer un projectile sur une boule de bowling sur la glace”, explique Berchie. Une boule de bowling, par analogie, est constituée d’atomes dans un détecteur de neutrinos – qui, dans cette expérience, sont des cristaux de 14,6 kg d’iodure de césium. “Vous pouvez en dire beaucoup sur une fronde et la force avec laquelle vous la lancez par la hauteur à laquelle la boule de bowling rebondit au contact.”
En ce qui concerne la matière noire, toute information est une bonne information. Personne ne sait ce que c’est vraiment. Il y a près de 100 ans, les physiciens ont réalisé que l’univers ne pourrait pas se comporter de cette façon s’il ne contenait que les choses que nous pouvons voir.
“Nous nageons dans une mer de matière noire”, a déclaré Jason Newby, chef du groupe de recherche sur les neutrinos au laboratoire national d’Oak Ridge et co-auteur de l’étude. Le consensus des physiciens est que la matière noire représente 85% de la masse de l’univers. Il doit être soumis à la gravité pour expliquer le comportement de l’univers, mais il n’interagit avec aucune sorte de lumière ou d’ondes électromagnétiques et apparaît sombre.
Jason Newby et le co-auteur Yuri Efremenko ont apporté avec eux un minuscule détecteur de neutrinos à l’iodure de césium de 14,6 kg qu’ils ont utilisé pour rechercher de la matière noire dans Neutrino Alley. Crédit : Geneviève Martin/Oak Ridge National Laboratory, Département de l’énergie des États-Unis
“Nous avons étudié cela en regardant de grandes galaxies en orbite les unes contre les autres, et nous avons vu qu’elles tournaient beaucoup plus vite qu’elles ne le devraient, ce qui implique qu’elles ont plus de masse qu’il n’y paraît”, a déclaré Birchi. “Donc, nous savons qu’il y a des choses supplémentaires là-bas, nous avons juste besoin de savoir où chercher.”
“Même si la plupart du temps, nous n’obtenons pas de résultats, il est vraiment important que vous regardiez partout et que vous puissiez ensuite exclure un certain nombre de possibilités et vous concentrer sur de nouveaux domaines avec stratégie au lieu de simplement faire des spaghettis sur le mur. ”, explique Newby.
Daniel Berchi. Crédit : Université Duke
“Nous étendons notre portée à tous les modèles possibles de matière noire, et c’est très puissant”, a déclaré Schulberg.
Et les réalisations ne se sont pas arrêtées là, a-t-il noté : l’expérience a également permis à l’équipe d’étendre la recherche mondiale de matière noire de nouvelles façons.
“Une technique de détection typique consiste à aller sous terre, à construire un détecteur très sensible et à attendre le passage d’une particule de matière noire”, a déclaré Berchi.
problème? Les particules de matière noire peuvent se déplacer silencieusement dans l’air. S’il est trop léger, il se peut qu’il n’atteigne pas le détecteur avec suffisamment de puissance pour créer une empreinte digitale détectable.
Le montage expérimental de l’équipe COHERENT répond à ce problème.
“Lorsque vous entrez dans l’accélérateur, vous générez ces particules avec une énergie beaucoup plus élevée”, explique Berchi. ça leur donne beaucoup la gravité pour frapper le noyau et repérer les signaux de matière noire. “
Et maintenant ? Il ne s’agit pas tout à fait de retourner à la planche à dessin. Neutrino Alley se prépare actuellement à recevoir un détecteur plus grand et plus sensible qui, combiné aux critères de recherche améliorés de COHERENT, augmentera considérablement les chances d’attraper l’une de ces particules indésirables.
“Nous sommes sur le point de savoir où la matière noire doit être”, a déclaré Birchi.
Référence : “Première sonde de matière noire sous-GeV en dehors des prédictions cosmologiques utilisant le détecteur COHERENT CsI dans le SNS” par D. Akimov et al. 3 février 2023 Lettre d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.051803
