La prochaine génération de détecteurs de matière noire permettra d’étudier l’Univers comme jamais auparavant

Plus gros ne signifie pas toujours meilleur, mais certains détecteurs de physique pourraient être l’exception qui confirme la règle.

Surtout si l’objectif est de détecter des particules insaisissables comme les neutrinos ou des particules hypothétiques comme la matière noire. À cette fin, des développements récents et passionnants ont eu lieu.

Selon les observations de l’univers, la matière que nous pouvons voir et avec laquelle nous pouvons interagir ne représente qu’un sixième de toute la matière qui devrait exister dans l’univers. La “matière noire”, appelée ainsi parce qu’elle n’interagit pas avec la lumière, constitue le reste. Il existe de nombreuses hypothèses sur ce qu’est réellement la matière noire, mais aucune certitude. Les collaborations DARWIN et LUX-ZEPLIN, qui mènent les plus grandes expériences visant à découvrir la matière noire, viennent d’annoncer qu’elles se sont unies pour construire un nouveau détecteur géant de nouvelle génération.

Les détecteurs de pointe à base de xénon actuellement chargés de trouver ces substances sont les expériences LUX-ZEPLIN et XENONnT/DARWIN. Ces deux expériences commenceront à collecter des données cette année, dans l’espoir de trouver enfin des preuves directes que la matière noire existe bel et bien.

Le xénon est un gaz noble qui, sous sa forme liquide, est utilisé comme détecteur car il interagit avec de très petites choses dans l’univers. Les détecteurs sont conçus pour repérer les éclairs de lumière qui suggèrent qu’une autre particule a heurté un atome de xénon et peuvent ensuite révéler le type d’interaction qui a eu lieu. Les expériences actuelles utilisent respectivement 7,0 et 5,9 tonnes de xénon liquide.

Les prédécesseurs de ces expériences n’ont pu que réduire l’éventail des possibilités concernant la matière noire, sans en confirmer la preuve. XENON1T a bien repéré quelques signaux titillants, mais pas suffisamment pour faire une véritable découverte. Il a toutefois observé l’événement le plus rare jamais enregistré, ce qui est plutôt excitant.

La prochaine génération de détecteurs au xénon de plusieurs tonnes que les collaborations DARWIN et LUX-ZEPLIN sont sur le point de concevoir et de construire sera plus grande et plus sensible que les détecteurs actuels. Il ne se contentera pas de rechercher la matière noire, mais étudiera également les neutrinos provenant du Soleil et d’autres sources cosmiques.

L’expérience Next-Generation Liquid Xenon Detector tentera de découvrir la détection directe de la matière noire, la désintégration double-bêta sans neutrinol, les particules axion hypothétiques, et la mesure des neutrinos créés dans le Soleil et l’atmosphère terrestre, et potentiellement les supernovae galactiques. Crédit image : Observatoire de la prochaine génération de xénon liquide

Alors que ce nouveau détecteur n’est encore qu’une idée, un autre a commencé sa construction. Hyper-Kamiokande, situé au Japon, est un détecteur de neutrinos de nouvelle génération et devrait, à partir de 2027, élargir considérablement notre compréhension de l’univers.

“En observant les neutrinos provenant de la fusion nucléaire à l’intérieur du Soleil, des gigantesques éruptions solaires à la surface du Soleil et des explosions d’étoiles mourantes dans la Voie lactée et au-delà, Hyper-Kamiokande nous enseignera la vie et la mort des étoiles”, a déclaré à IFLScience le Dr Jost Migenda du King’s College London, membre de la collaboration Hyper-K.

Un nouvel article sur ses capacités, publié dans The Astrophysical Journal, enthousiasme les astronomes. Bien que très étudié, le mécanisme des supernovas à effondrement de cœur – qui produisent soit des trous noirs, soit des étoiles à neutrons – n’est pas bien compris. Le détecteur sera en mesure de fournir des idées plus claires sur les types de supernovas en se basant sur leur signature en neutrinos, pour autant qu’elles se trouvent dans la Voie lactée ou aux alentours. C’est du jamais vu.

“Jusqu’à présent, nous ne pouvions comparer qu’un petit nombre de caractéristiques (par exemple, l’énergie moyenne des neutrinos ou l’existence d’une coupure soudaine dans le taux d’événements, ce qui pourrait se produire si l’étoile s’effondre en un trou noir). Cela nous aiderait à réduire le nombre de modèles, certes, mais il pourrait encore y avoir des centaines de modèles correspondant aux caractéristiques observées”, a expliqué le Dr Migenda, qui est le principal analyste de l’étude.

“Dans cet article, nous décrivons une méthode qui utilise la distribution temporelle et énergétique complète des neutrinos observés pour les comparer à différents modèles. Pour utiliser une métaphore : Auparavant, nous aurions pu dire qu’un suspect avait les cheveux blonds et les yeux bruns. Avec cette nouvelle méthode, nous obtenons effectivement une photo du suspect, ce qui nous donne de bien meilleures chances de l’identifier.”

Hyper-K étudiera également la physique fondamentale et, comme son prédécesseur, tentera d’examiner les limites de notre compréhension actuelle de l’univers.

Lire aussi : Une cartographie de la matière noire révèle des ponts intergalactiques jusqu’ici inconnus

Source : IFLScience – Traduit par Anguille sous roche