Cette illustration représente une particule de matière noire. Les scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge ont tenté de surveiller ces particules insaisissables à l’aide de détecteurs de neutrinos dans 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 leurs détecteurs de neutrinos. Neutrino Alley, où l’équipe travaille, est située sous la Spallation Neutron Source, un puissant accélérateur de particules. Après des années de calculs théoriques, l’équipe COHERENT a entrepris d’observer la matière noire, qui représenterait jusqu’à 85 % de la masse de l’univers. L’expérience a permis à l’équipe d’élargir la recherche globale de matière noire d’une nouvelle manière, et ils prévoient de recevoir un détecteur plus grand et plus sensible pour améliorer 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, suggérant 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 une destination moins glamour : un , couloir exigu du sous-sol.
Pas une cave ordinaire, cependant. 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 des supernovae, ou à un niveau plus proche de la Terre, en tant que sous-produit de la collision 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 loin entre les galaxies. Une équipe de scientifiques tente de la sortir de l’ombre. Crédit : Rayons X : 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 de neutrons de spallation (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 des processus SNS. La matière noire (à ne pas confondre avec l’antimatière préférée du méchant) est également produite lorsque des accélérateurs de particules écrasent des protons ensemble. Après des années de calcul théorique, l’équipe COHERENT a entrepris d’exploiter la puissance du SNS et la sensibilité de ses détecteurs de neutrinos pour surveiller la matière noire dans Neutrino Alley.
« Et nous n’avons pas vu cela », dit Schulberg. « Bien sûr, si nous l’avions vu, cela aurait été plus excitant, mais ne pas le voir est en fait un gros problème. »
Elle a expliqué que le fait que la matière noire n’ait pas été détectée par ses détecteurs de neutrinos lui permet d’améliorer les modèles théoriques de ce à quoi ressemble la matière noire.
« Nous savons exactement comment un détecteur de matière noire réagirait si la matière noire avait certaines propriétés, nous recherchions donc cette signature spécifique. »
Kate Schulberg, co-auteur Grayson Rich et Philip Barbeau. Crédit : Long Li/Duke University
L’empreinte digitale en question est la façon dont les noyaux des atomes du détecteur de neutrinos rebondissent lorsqu’ils heurtent un neutrino, ou dans ce cas, une particule de matière noire.
« C’est comme lancer des projectiles sur une boule de bowling sur un morceau de glace », a déclaré Berchie. Les boules de bowling, dans son analogie, sont les atomes dans le détecteur de neutrinos – qui dans cette expérience était un cristal d’iodure de césium de 14,6 kg. « Vous pouvez en dire beaucoup sur la fronde et la force que vous 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 comme il le faisait s’il ne contenait que les choses que nous pouvions 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 portent le très petit détecteur de neutrinos à l’iodure de césium de 14,6 kg utilisé pour rechercher la matière noire à Neutrino Alley. Crédit : Genevieve Martin/Oak Ridge National Laboratory, Département de l’énergie des États-Unis
« Nous avons appris cela en regardant de grandes galaxies qui orbitent les unes autour des autres, et nous avons vu qu’elles tournent beaucoup plus vite qu’elles ne le devraient, ce qui implique qu’elles ont plus de masse qu’elles ne le semblent », a déclaré Birchi. « Donc, nous savons qu’il y a des choses supplémentaires là-bas, nous avons juste besoin de savoir où les 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 grand nombre de possibilités et vous concentrer sur un nouveau domaine avec stratégie plutôt que d’utiliser simplement les » spaghettis sur le mur « . « , a déclaré Newby.
Daniel Berchi. Crédit : Université Duke
« Nous étendons notre portée à tous les modèles qui pourraient exister pour la matière noire, et c’est très puissant », a déclaré Schulberg.
Et la réussite ne s’arrête pas là, note-t-elle : l’expérience a également permis à l’équipe d’élargir la recherche globale de matière noire d’une nouvelle manière.
« La technique de détection typique consiste à aller sous terre, à construire un détecteur très sensible et à attendre que les particules de matière noire passent », a déclaré Berchi.
le problème? Les particules de matière noire peuvent se déplacer tranquillement dans l’air. S’il est également très 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 produisez ces particules à une énergie nettement plus élevée », a déclaré Berchi. Cela leur donne beaucoup la gravité pour frapper les noyaux et montrer le signal de matière noire. «
Et maintenant ? Ce n’est pas tout à fait de retour 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 raffinés de COHERENT, améliorera considérablement les chances d’attraper l’une de ces particules diaboliques.
« Nous sommes au seuil où la matière noire doit être », a déclaré Birchi.
Référence : « Première sonde de matière noire sous-GeV au-delà des prédictions cosmologiques à l’aide du détecteur COHERENT CsI dans le SNS » par D. Akimov et al. 3 février 2023 Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.051803
