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Picasso s'apprête à écouter la matière noire !

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Pour détecter les mystérieuses particules de matière noire, une équipe de chercheurs canadiens explore une piste prometteuse et originale : à l'aide d'une chambre à bulles, il serait possible... de les entendre.

Module de dernière génération de détecteurs Picasso installés à Snolab, de 4,5 l avec 80 g de masse active de C4F10. Les gouttelettes sont figées dans un polymère élastique. Les signaux sont enregistrés par 9 capteurs piézo-électriques et les événements localisés par triangulation. Actuellement, une nouvelle expérience Picasso est en train d’être installée, avec 32 modules de détection comme celui-ci, avec une masse active de 2,6 kg. Crédit : Collaboration Picasso

L'apparition des galaxies, les mouvements des étoiles en leur sein ou les phénomènes déclenchés par la collision de deux amas de galaxies sont très difficiles à expliquer sans admettre l'hypothèse que la vaste majorité des particules de matière dans l'Univers observable est constituée de particules inconnues plutôt que de protons, de neutrons ou de neutrinos.

Il s'agirait de particules neutres n'interagissant que très faiblement avec la matière normale et probablement uniquement par l'attraction gravitationnelle. On mentionne souvent à leur sujet les noms de neutralinos, des particules supersymétriques stables et neutres, ou encore de Wimps (pour Weakly Interacting Massive Particle).

Ces particules pourraient être créées au LHC l'année prochaine mais, si c'est le cas, il faudra probablement au moins une année pour extraire la preuve de leur existence de l'océan des données enregistrées par les détecteurs du LHC, comme Atlas, et surtout en déduire leur nature. Entre temps, d'autres expériences pourraient bien damer le pion aux équipes du LHC.

En effet, l'expérience dénommée Picasso (Projet d'Identification de CAndidats Supersymétriques Sombres) est elle aussi sur la trace des particules de matière noire. Son principe est simple et repose sur une idée ancienne datant du début du siècle dernier : la chambre à bulles.

Dans cette expérience, on utilise un liquide actif à base de 80 g de fluorine (C4F10), dispersé sous forme de gouttelettes de 50 à 100 µm de diamètre dans un milieu visqueux. Ces microgouttes sont très nombreuses puisqu'on les compte par millions, mais, surtout, elles se trouvent dans un état liquide dit surchauffé. Porté à une température bien supérieure à son point d'ébullition, ce liquide est extrêmement instable et la moindre perturbation déclenche une transformation explosive du liquide en vapeur.

Une particule de matière noire comme une Wimp pénètre dans une microgoutte et provoque l'apparition d'une bulle de vapeur en expansion. Crédit : Collaboration Picasso

Des collisions qui font du bruit

Lorsqu'une particule de matière noire pénètre à l'intérieur d'une de ces gouttes et entre en collision avec un noyau, l'énergie qu'elle dépose va se répartir dans la goutte et, plus précisément, provoquer la transition de phase du liquide en vapeur. Le phénomène s'accompagnera d'une émission sonore.

Afin de s'affranchir au mieux du bruit de fond résultant des particules de matière normale présentes dans les rayons cosmiques, l'expérience Picasso est enterrée dans une ancienne mine. Pour calibrer les instruments, les chercheurs, une fois éliminées les sources de bruits, ont utilisé des neutrons et comparé ce qui se produisait avec des rayons alpha, des noyaux d'hélium débarrassés de leur cortège électronique. De façon surprenante, le son produit par l'explosion des microgouttes était plus faible avec les neutrons qu'avec les rayons alpha, ce qui a fourni un moyen supplémentaire pour distinguer les événements provoqués par des particules chargées et ceux générés par des particules neutres, comme justement les particules de matière noire.

L'explosion de microgouttes de liquide produit un son aisément détectable. Crédit : Collaboration Picasso

Les physiciens ne comprennent pas encore très bien l'origine du phénomène mais indubitablement, celui-ci doit provenir du fait que les neutrons produisent moins de transition de phase du liquide surchauffé que les noyaux d'hélium. Comme il se produit moins d'explosions de microgouttes, le volume sonore est plus faible. En fait, en moyenne, une seule microgoutte de vapeur serait produite pour chaque neutron traversant le détecteur, alors que plusieurs seraient produites par un seul rayon alpha.

En plus d'aider à détecter les particules de matière noire, ce phénomène pourrait permettre de développer des détecteurs de neutrons et de particules alpha plus efficaces dans le cadre des applications des radiations en biologie et en médecine.

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