Au plus profond de la Terre, un détecteur de matière noire s’apprête à entrer dans l’histoire

La quête des extrêmes pour comprendre l’univers

L’avenir de la compréhension humaine de l’univers se joue souvent aux extrêmes. Pendant que certains scientifiques et ingénieurs travaillent sans relâche à la construction de réacteurs à fusion atteignant des températures qui dépassent largement celles observées sur le Soleil, une autre quête exige l’exact opposé. Cette recherche inlassable concerne la matière noire, une substance non encore détectée qui constitue 85 % de toute la matière présente dans notre univers. Pour espérer la trouver, il est nécessaire de créer des conditions de froid absolu.

Le mois dernier, une nouvelle étape décisive a été franchie. Le projet Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS), installé au SNOLAB, est enfin prêt à entamer sa recherche de la particule la plus insaisissable de l’univers. Ce nouveau détecteur a été minutieusement placé à 6 800 pieds de profondeur, en plein cœur d’une mine de nickel toujours en activité située près de Sudbury, dans la province de l’Ontario.

Cet environnement souterrain exceptionnel a été choisi avec une précision stratégique. Le puits de mine offre en effet le cadre parfait pour débusquer les particules massives interagissant faiblement, communément appelées WIMP. Protégé des perturbations de la surface, le dispositif bénéficie d’un isolement crucial pour observer l’invisible.

Le froid absolu pour figer la matière

Le défi majeur de cette installation réside dans la maîtrise de la température. Le détecteur a officiellement atteint des températures de quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu, ce qui représente également quelques millièmes de degré en dessous de zéro selon d’autres échelles de mesure. Ces conditions s’avèrent des centaines de fois plus froides que celles du vide spatial.

Une telle chute du thermomètre provoque un phénomène physique bien précis : le mouvement généré par la chaleur s’arrête presque complètement. Cette immobilité absolue devient un atout inestimable lorsque la proie recherchée refuse d’absorber la lumière et interagit à peine avec la matière environnante.

Priscilla Cushman, porte-parole de l’expérience SuperCDMS et professeure à l’Université du Minnesota, souligne l’importance de ce moment dans une déclaration publique. « Getting to base temperature is a major milestone in a years-long campaign to build a low-background facility capable of housing our sensitive cryogenic solid-state detectors, » explique-t-elle, avant d’ajouter : « At these extremely low temperatures, our installed detectors can now scan a whole new region of parameter space where the lightest dark matter particles may be lurking. »

Un bouclier souterrain à la pointe de l’ingénierie

Nichée à 6 800 pieds sous terre, la structure même du SuperCDMS impressionne par ses dimensions et sa composition. Il s’agit d’une enceinte cylindrique de 13 pieds sur 13 pieds, conçue pour former un bouclier impénétrable. Elle est constituée de plomb ultra-pur, dont le rôle est de bloquer le rayonnement gamma, ainsi que de polyéthylène à haute densité, un matériau choisi spécifiquement pour réduire l’activité des neutrons.

Le cœur du détecteur fait appel à des éléments d’une grande pureté. Il est fabriqué à partir de silicium et de germanium. Les fonds radioactifs minimes de ces matériaux, combinés à d’autres propriétés avantageuses, en font les composants parfaits pour traquer les particules massives interagissant faiblement (WIMP), considérées comme la source potentielle de la matière noire.

Le mécanisme de détection repose sur un principe mécanique microscopique. Si une particule de matière noire pénètre dans le détecteur, la théorie veut qu’elle frappe un atome dans le réseau atomique. Ce choc devrait faire vibrer l’atome tout en envoyant des électrons à travers le cristal lui-même. Grâce à cet environnement de détection immaculé, combinant des températures ultra-froides, un bouclier redoutable contre le rayonnement gamma et des détecteurs en germanium-silicium hautement purifiés, les scientifiques seront en mesure de discerner si un WIMP s’est manifesté.

Un héritage scientifique enrichi par la technologie

Cette installation ne surgit pas de nulle part ; elle s’inscrit dans un héritage scientifique s’étendant sur plusieurs décennies. Le SuperCDMS est la suite logique d’une série d’expériences de recherche cryogénique de la matière noire (CDMS) qui remontent à la fin des années 90. Il s’impose comme le descendant direct de l’expérience SuperCDMS Soudan, qui s’est déroulée dans la mine souterraine de Soudan, au Minnesota, entre 2011 et 2015.

En construction depuis 2018, la version désormais achevée au SNOLAB améliore son prédécesseur de presque toutes les manières concevables. Elle affiche des « sensibilités au premier rang mondial » qui la rendent capable de détecter des particules dont la masse est comprise entre la moitié de la masse d’un proton et cinq fois la masse de ce dernier.

Noah Kurinsky, chercheur au SLAC National Accelerator Laboratory ayant participé à la conception des détecteurs, a partagé son enthousiasme par le biais d’un communiqué. « With many more sensors per detector than in the previous SuperCDMS Soudan experiment, along with new simulation tools and AI-enabled reconstruction, the data will be far richer than we originally planned, » précise-t-il. Il résume l’esprit du projet par ces mots : « Every day will be new; this is new science from day one. »

L’attente avant les premières observations

La réussite de ce dispositif marquerait un tournant dans la physique moderne. La confirmation d’une vibration induite par un WIMP fournirait la toute première observation directe de la matière noire. Cette percée ouvre potentiellement la voie à la découverte d’autres isotopes rares ou à des interactions de particules jusqu’alors inédites.

Bien que le SuperCDMS ait enfin atteint les températures requises pour espérer réaliser cette science qui changera le monde, le processus exige de la patience. L’équipe a encore besoin de quelques mois supplémentaires pour procéder à l’étalonnage et à l’optimisation des canaux du détecteur.

Une fois ces réglages minutieux terminés, une longue période d’anticipation prendra fin. Après près d’une décennie d’attente, l’heure du spectacle sera véritablement venue pour scruter les mystères les plus profonds de l’univers.

Selon la source : popularmechanics.com