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Les détecteurs cryogéniques

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 !

  
DossiersLa traque aux wimps est lancée !
 

Un détecteur cryogénique est composé d'un cristal (germanium Ge, saphir Al2O3, tungstate de calcium CaWO4,...) refroidi à très basse température (1/1000 Kelvin) à l'aide d'une machine qu'on appelle cryostat.

Différentes vues du cryostat de l'expérience EDELWEISS. Sur le plateau en plomb de la 1ère photo seront installés jusqu'à 110 détecteurs en germanium. Le cryostat est ensuite fermé avec différentes cloches en cuivre qui vont permettre d'atteindre des températures de l'ordre de 1/100 K

A d'aussi basses températures il est possible de mesurer des élévations de température du cristal de l'ordre de 1/1000000 Kelvin ! Par ailleurs ces cristaux possèdent également la propriété de produire des charges ou d'émettre de la lumière lors de l'interaction d'une particule. Or il a été montré qu'un noyau qui recule dans le cristal va arracher moins d'électrons ou produire moins de lumière qu'un électron ayant la même énergie cinétique. On a donc à notre disposition deux rapports de signaux (R=charges/chaleur ou R=lumière/chaleur) qui suivant la nature de la particule vont être différents. Un photon ou un électron qui interagit dans le cristal va bousculer les électrons des atomes du cristal. Par contre un neutron va bousculer les noyaux et ne va pas voir les électrons.

Donc le rapport R sera plus faible pour les interactions dues à un neutron puisque que le noyau qui recule arrache moins de charges ou produit moins de lumière qu'un électron ou un photon. Dans le cas du WIMP on a la même situation que pour le neutron. On sait donc reconnaître une interaction d'un photon ou d'un électron de celle d'un neutron ; par contre on n'est pas capable de distinguer un rapport R du à un WIMP de celui du à un neutron, c'est pourquoi il est crucial de protéger au maximum le détecteur de tous les neutrons comme nous venons de le voir dans la section précédente.

Détecteurs cryogéniques des expériences CRESST, EDELWEISS et CDMS

Les trois principales expériences au monde utilisant cette technique sont les 2 expériences européennes CRESST et EDELWEISS et l'expérience américaine CDMS. L'expérience CRESST, installée dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso, utilise des détecteurs cryogéniques de cristaux de tungstate de calcium (CaWO4) qui émettent de la lumière.

Les expériences EDELWEISS (installée dans le laboratoire souterrain de Modane) et CDMS (installée dans la mine Soudan au nord des Etats Unis) utilisent des cristaux de germanium (Ge) qui donnent un signal charge en plus de l'élévation de température.

Ces trois expériences sont actuellement les plus sensibles à la présence éventuelle de WIMPs. Elles travaillent à l'augmentation de la masse du détecteur pour permettre d'améliorer cette sensibilité.