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Matière noire : l'expérience Xenon 100 n'a pas vu de Wimps

ActualitéClassé sous :physique , Astronomie , wimps

Nombreux étaient ceux qui attendaient la publication des résultats de dernières recherches avec l'expérience Xenon 100. Elle concerne en effet la détection directe sur Terre des particules de matière noire pouvant être des Wimps. Les résultats sont malheureusement négatifs et contraignent même l'existence des particules supersymétriques.

Un élément du détecteur Xenon 100 lors de sa construction. © Xenon Collaboration

On possède des preuves indirectes très sérieuses de l'existence de la matière noire. Mais les théoriciens des astroparticules et de la cosmologie ne dormiront vraiment tranquilles que lorsque l'on aura détecté directement sur Terre ces particules. Il y a deux façons de le faire. Soit en les produisant à l'aide de collisions en accélérateur, comme actuellement au LHC, soit en les détectant à l'aide d'expériences enterrées pour les protéger du bruit de fond des rayons cosmiques ordinaires.

Il existe de multiples candidats possibles au titre de particule de matière noire et il n'est pas exclu que cette dernière soit constituée d'un mélange de plusieurs particules différentes issues des extensions du modèle standard. Pour la supersymétrie, on parle souvent du neutralino mais aussi de gravitino, le partenaire supersymétrique du graviton. Un autre candidat souvent proposé est l'hypothétique axion. Généralement aussi, on parle d'une grande classe de particules possibles rassemblées sous la dénomination de Wimps (pour Weakly Interacting Massive ParticleS).

Des particules difficiles à détecter

Ces particules sont nécessairement neutres et insensibles aux forces électromagnétiques, sans quoi elles pourraient émettre de la lumière et ne seraient donc pas « noires ». Elles ne doivent pas non plus subir d'interactions nucléaires fortes avec la matière, puisqu'elles ont jusqu'à maintenant échappé à toute détection en accélérateur ou dans le rayonnement cosmique. Toutefois, elles peuvent être sensibles à des forces au moins aussi peu intenses que les forces nucléaires faibles, voire à ces forces elles-mêmes. On peut ainsi penser qu'elles peuvent interagir avec la matière normale en échangeant des bosons Z ou des bosons de Higgs

Une Wimp entrant en collision avec un noyau provoque son mouvement dans un réseau cristallin et donc la formation d'un phonon. Une Wimp peut aussi arracher un électron à un atome. Il y a plusieurs détecteurs possibles exploitant différents processus physiques pour espérer détecter une Wimp directement sur Terre. © cdms.berkeley.edu

En tout état de cause, l'interaction est si faible que la détection d'une Wimp représente un véritable challenge. Ainsi, 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 passeraient par là, pour s'assurer de ne pas les confondre avec une Wimp. Par ailleurs, le flux et la probabilité d'interaction d'une Wimp 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.

Cent jours sous 1,4 kilomètre de roches

C'est pourquoi les physiciens de la collaboration Xenon, basant leurs expériences (comme le nom l'indique) sur du xénon liquide, ont prévu plusieurs détecteurs contenant de plus en plus de ce liquide. Xenon 100 utilise ainsi environ 62 kilos de xénon et le dispositif se trouve dans un laboratoire souterrain du Gran Sasso.

Pendant presque cent jours, de janvier à juin 2010, le détecteur a patiemment enregistré les événements sous forme d'émissions de photons et d'électrons, pouvant, pour certains d'entre eux, être associés à des collisions de Wimps avec de la matière normale. Si quelques candidats ont effectivement été vus, ils sont parfaitement compatibles avec des fluctuations statistiques.

Aucune preuve de l'existence de particule de matière noire n'a donc été apportée mais seulement de nouvelles contraintes sur les théories pouvant en expliquer la nature. Les physiciens prévoient d'augmenter la quantité de xénon liquide pour la porter à plusieurs tonnes dans les années à venir.

Ce début d'année 2011 est donc plutôt décevant car il n'a toujours pas révélé de trace d'une nouvelle physique, par exemple des minitrous noirs ou des signes de la supersymétrie au LHC. Espérons que le Tevatron a effectivement commencé à voir des boson Z'...

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