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Edelweiss : traquer les Wimps pour retrouver la piste de la matière noire

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L'expérience Edelweiss, associant physiciens et astrophysiciens de sept laboratoires du CNRS et du CEA, explore la piste des particules supersymétriques appelées WIMPs (pour Weakly interacting massive particles). Ces particules pourraient expliquer en partie la nature de la matière noire qui compose 99 % de l'Univers.

Le 29 mai dernier, les chercheurs du CNRS et du CEA ont, lors de la conférence "Neutrino 2002" de Munich, communiqué des résultats essentiels. Ils ont testé, de façon très précise et pour la première fois, un domaine du monde supersymétrique. Ces résultats contredisent ceux annoncés, en février 2000, à l'issue de l'expérience italienne Dama. Cette dernière révélait l'existence de Wimps de masse 60 fois celle du proton.

La matière lumineuse, la seule que nous pouvons observer, ne contribue que pour un pour cent à la densité de l'univers. Question majeure de la physique contemporaine, la matière noire constituant la masse manquante pourrait être composée de particules élémentaires très massives, appelées "wimps", entourant chaque galaxie. Les théories supersymétriques, qui permettent d'unifier les quatre interactions fondamentales* prédisent l'existence, encore non vérifiée, de ces particules massives. Mais la mise en évidence expérimentale de leur existence, par détection de leurs interactions avec la matière ordinaire, est très difficile. En effet, leur taux d'interaction, dont on peut évaluer les limites, à la fois à partir de données cosmologiques et d'expériences dans des accélérateurs, serait extrêmement faible. Pour un détecteur d'un kilogramme, on prédit de l'ordre d'une interaction par jour, voire beaucoup moins. Les "wimps" sont ainsi plus discrètes encore que les neutrinos qui déjà, n'interagissent que très faiblement avec la matière.

Dans cette recherche, l'expérience italienne Dama de l'année 2000 annonçait des résultats laissant supposer l'existence d'une wimp de masse d'environ soixante fois celle du proton, avec un taux d'événements de l'ordre d'une particule détectée par kg de détecteur et par jour. Aujourd'hui, Edelweiss, hébergée au sein du laboratoire souterrain de Modane, sous le tunnel du Fréjus, est la première expérience à pénétrer dans le domaine des modèles supersymétriques compatibles avec les résultats des expériences réalisées dans des accélérateurs. Elle peut, grâce à sa sensibilité, exclure l'ensemble du domaine correspondant à la "wimp" observée par Dama, si du moins celle-ci est bien une particule supersymétrique interagissant avec la matière de façon standard.

Dans l'année à venir, la sensibilité d'Edelweiss devrait encore être multipliée par cinq. Une version plus ambitieuse de l'expérience, Edelweiss II, est en cours d'assemblage à Lyon et Grenoble. Elle sera installée à Fréjus fin 2003. Elle mettra en œuvre plus de 100 détecteurs (contre 3 actuellement), afin d'améliorer la sensibilité actuelle d'un facteur 100. Ainsi optimisée, Edelweiss II facilitera les prédictions d'une large fraction des modèles de supersymétrie et permettra, peut-être, de détecter des interactions de wimps.

La difficulté de détection des wimps nécessite d'isoler au maximum les détecteurs des rayonnements naturels. L'expérience Edelweiss est protégée par 1 600 mètres de roche sous le tunnel du Fréjus et les matériaux sont rigoureusement sélectionnés pour leur basse radioactivité, ce qui conduit à diviser par 2 millions le flux de rayons cosmiques, et par 10 000 le fond de neutrons. Malgré ces précautions, un fond radioactif résiduel de rayons β et γ persiste et il faut différencier l'impact d'une wimp de celui du rayonnement résiduel. La mesure de l'énergie (par l'élévation de température) donne une évaluation de l'ensemble des interactions. Les électrons et photons des radioactivités β et γ interagissent essentiellement avec les électrons alors que les wimps ne le font qu'avec les noyaux, ici beaucoup moins ionisants. L'expérience Edelweiss est munie d'un système de double détection extrêmement sensible, par l'ionisation et par la chaleur. Pour la première, ils ont enregistré un signal de quelques centaines d'électrons, et pour la seconde, ils ont mesuré une élévation de température d'un millionième de degré. Edelweiss utilise des détecteurs de germanium ultra-pur de 320 grammes chacun, fonctionnant à une température de 20 millièmes de kelvin, proche du zéro absolu. Leur sensibilité leur permet de rejeter 99,9 % du bruit de fond radioactif.

*Quatre forces fondamentales régissent les interactions entre particules de matière : la force électromagnétique, la force nucléaire faible responsable de la radioactivité, la force nucléaire forte qui maintient la cohésion au sein des particules composites et des noyaux, et la gravitation.

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