Une vue d'une partie du détecteur de CDMS en cours de montage. Crédit : cdms.berkeley.edu

Sciences

CDMS : la matière noire reste dans l'ombre

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C'est la fin du suspens pour Cryogenic Dark Matter Search II, alias CDMS II. Deux « événements » ont bien été observés par le détecteur enterré dans une mine aux Etats-Unis mais ils sont insuffisants pour affirmer que de la matière noire a bien été découverte. Ce résultat pourrait cependant impliquer que ce n'est plus qu'une affaire d'une ou deux années.

La rumeur avait été lancée sur le Web par le blog Resonaances du physicien Adam Falkowski et reprises par d'autres. Les membres de l'équipe Cryogenic Dark Matter Search (CDMS), dont le site est abrité par l'Université de Berkeley, semblaient se comporter bizarrement depuis quelque temps. Selon les informations dont disposait Falkowski, il était possible que ces chercheurs aient atteint leur but. Leur réussite aurait fait grand bruit puisque ces physiciens sont lancés à la recherche des particules de matière noire, à l'aide de 30 plaques de silicium et de germanium refroidies presque au zéro absolu, et protégées en grande partie du bruit de fond des rayons cosmiques et des désintégrations radioactives naturelles au fond de la mine Soudan.

L'un des Graal de la physique et de l'astrophysique depuis une vingtaine d'années est en effet la détection directe de ces particules invoquées pour expliquer la dynamique anormale des galaxies et des amas de galaxies. Toutes les observations concordent vers l'existence d'une composante non baryonique, c'est-à-dire non constituée de protons ou de neutrons, parmi la matière présente dans l'Univers observable. Cette composante mystérieuse serait près de 5 fois plus massive que la matière ordinaire mais on ignore sa nature. Il pourrait s'agir d'axions ou de particules supersymétriques. On parle aussi souvent, de manière générale, de Wimps pour Weakly Interacting Massive ParticuleS.

Ces particules sont nécessairement neutres et insensibles aux forces électromagnétiques, sans quoi elles pourraient émettre de la lumière. Elles ne doivent pas non plus subir d'interactions nucléaires fortes avec la matière puisqu'elles ont jusqu'à maintenant échappé à toute détection. Enfin, elle peuvent être sensibles à des forces au moins aussi peu intenses que les forces nucléaires faibles.

Une Wimps entrant en collision avec un noyau provoque son mouvement dans un réseau cristallin et donc la formation d'un phonon. Une Wimps peut aussi arrracher un électron à un atome. Crédit : cdms.berkeley.edu

Des événements, oui, mais pas d'observation nette

Une manière de les détecter est de refroidir un réseau cristallin de sorte que la collision avec un noyau fasse vibrer son atome et dépose donc de l'énergie sous forme de phonons. Une Wimps entrant en collision avec un atome peut aussi le ioniser. La mesure de l'énergie déposée sous forme de phonons, conjointement avec des charges créées par ionisation dans un détecteur refroidi presque au zéro absolu, permet en théorie de détecter le passage de particules de matière noire.

Face à ce faible signal, il faut réduire drastiquement le bruit de fond, en l'occurrence le flux de particules ordinaires issu du rayonnement cosmique ou encore des neutrons qui passereraient par là, pour s'assurer de ne pas les confondre avec une Wimps et de faire la différence avec un neutralino supersymétrique. Par ailleurs, le flux et la probabilité d'interaction d'une Wimps avec la matière étant faibles, plus le détecteur est massif, plus la probabilité d'observer une collision, un événement dans le jargon des physiciens, est importante.

Le détecteur CDMS II enterré dans la mine Soudan, dans l'Etat du Minnesota, satisfait à ces critères et les chercheurs l'utilisent depuis quelques années pour des campagnes d'observations. Les membres de CDMS avaient annoncé qu'une première communication des derniers résultats des observations serait rendue publique le 17 décembre 2009, lors d'un séminaire de la physicienne Jodi Cooley. Vers 23 h, heure française, le séminaire se tenant dans l'auditorium Kavli du SLAC était effectivement retransmis en vidéo sur le web.

Au bout de quelques dizaines de minutes, on apprenait enfin que 2 événements seulement avaient été observés par CDMS II. Ces résultats sont encourageants si les estimations du bruit de fond enregistré par le détecteur ont été réalisées avec soin. Mais il n'est pas exclu que les particules ayant provoqué les événements observés ne soient en fait que des particules de matière normale. Il n'y a donc pour le moment pas de véritable observation et certainement pas une détection de la matière noire !

Cependant, les deux événement enregistrés à des énergies de 12 KeV et 15 KeV, s'ils sont bien causés par des particules de matière noire, impliqueraient qu'un détecteur plus massif finirait en un ou deux ans par voir les 5 événements nécessaires pour affirmer qu'on a bel et bien découvert les particules de matière noire. Une telle version de CDMS est effectivement en cours de réalisation et d'autres détecteurs similaires, dans d'autres pays, ont aussi, maintenant, le potentiel de les découvrir dans un avenir proche. Ainsi, Edelweiss II (Expérience pour DEtecter Les Wimps) vient d’annoncer avoir elle aussi détecter un événement. Les résultats de CDMS II sont publiés sur arXiv.

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