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Les pièges à WIMPs

Dossier - La traque aux wimps est lancée !
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Wimp : c'est une particule qui est tant recherchée et qui n'a pas encore donné la preuve de son existence. C'est une véritable traque à laquelle se sont voués des chercheurs en développant des outils de capture rivalisant d'imagination !

  
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Pour pouvoir expliquer certaines observations astrophysiques, le WIMP devrait avoir une masse assez importante à l'échelle de l'atome, allant de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de fois la masse d'un proton.

Quand il a l'audace de bousculer un noyau composé de protons et de neutrons (qu'on appelle indifféremment nucléon) celui-ci va trébucher et provoquer de l'agitation autour de lui. Suivant la nature du milieu auquel appartient le noyau (solide, liquide ou gaz) on va avoir différents phénomènes physiques qui vont se produire :

émission de lumière due à l'excitation des atomes voisins,
• migration de charges électriques arrachées aux atomes voisins dans sa course
• élévation de température induite par les vibrations des atomes du milieu

L'importance de ces phénomènes physiques va dépendre de l'énergie à laquelle le WIMP va faire reculer le noyau bousculé. En étudiant ces phénomènes physiques il sera possible de remonter à ce qui les a provoqués c'est à dire au WIMP. On va pouvoir en particulier estimer sa masse.

Pour donner un ordre d'idée, prenons un WIMP qui aurait une masse équivalente à ~70 protons c'est à dire équivalent à la masse d'un noyau de germanium, animé d'une vitesse d'environ 230 km/s. Supposons que dans sa course le WIMP rencontre dans un cristal de germanium un noyau ; l'énergie moyenne transmise à ce noyau fera augmenter la température du cristal ~ 1/1 000 000 Celsius !

Les physiciens doivent donc construire des détecteurs capables de mesurer d'aussi petites quantités de chaleur, de lumière ou de charges ; mais en plus ils doivent être sûrs que ce n'est pas une particule connue qui passait par-là et qui a produit cette perturbation. Car malheureusement si le WIMP est très discret, les autres particules de notre environnement quotidien, telles que les photons, les électrons ou les neutrons, elles ne se gênent pas pour mettre la pagaille dans un détecteur ! C'est ce qu'on appelle le bruit de fond. Il faut donc arriver à protéger le détecteur de ce bruit de fond pour pouvoir observer le passage d'un WIMP dans le détecteur.

Le bruit de fond a différentes origines :

• les rayons cosmiques : ce sont des particules qui proviennent de l'espace et essentiellement produites par le Soleil. Quand elles arrivent dans l'atmosphère elles en produisent un très grand nombre en cascade !

Schéma des réactions induites dans l'atmosphère par des rayons cosmiques (http://crop.unl.edu/claes/CROP_Spectrum2005.ppt)

• la radioactivité naturelle : elle est présente dans tous les matériaux à plus ou moins grande dose.

• la radioactivité artificielle : elle est due à l'activité humaine par exemple les essais nucléaires ; ou bien encore les incidents survenant dans des centrales nucléaires comme cela fut le cas de Tchernobyl en 1986.