Une nouvelle chasse à la matière noire prend place sous la montagne

David D'Angelo n'était pas toujours intéressé par la matière noire, mais maintenant il est venu au premier plan de la chasse à la particule la plus insaisissable de l'univers.

À environ une heure de route de Rome, il y a un amas dense de montagnes appelé Gran Sasso d'Italia . Ils sont célèbres pour leur beauté naturelle et attirent les touristes toute l'année, offrant des stations de ski de classe mondiale et des sentiers de randonnée en hiver, ainsi que la possibilité de se baigner en été. Pour le physicien italien de 43 ans, David D'Angelo, ces montagnes sont comme une deuxième maison. Contrairement à la plupart des visiteurs du Gran Sasso, D'Angelo passe la plupart de son temps sous les montagnes, pas sur eux.

Là, dans un espace caverneux à des milliers de mètres sous la surface de la terre, D'Angelo travaille sur une nouvelle génération d'expériences dédiées à la chasse aux particules de matière noire - une forme exotique de matière dont l'existence est supposée depuis plusieurs décennies, mais n'a pas encore été prouvée expérimentalement.

On pense que la matière noire représente 27% de l'Univers, et la description de cette substance insaisissable est l'un des problèmes les plus aigus de la physique moderne. Bien que D'Angelo pense avec optimisme qu'une percée se produira au cours de sa vie - la génération précédente de physiciens pensait la même chose. En principe, il y a de fortes chances que les particules recherchées par D'Angelo n'existent pas du tout. Cependant, pour les physiciens explorant la nature fondamentale de l'Univers, l'opportunité de poursuivre une carrière entière dans la «chasse aux fantômes», comme le dit D'Angelo, est le prix de l'avancement de la science.

Qu'est-ce qui se cache sous la "grande pierre"?

En 1989, l'Institut national italien de physique nucléaire a ouvert le Laboratoire national du Gran Sasso , le plus grand laboratoire souterrain au monde dédié à l'astrophysique. Trois grottes souterraines regorgeant de Gran Sasso ont été spécialement construites pour les physiciens - un cadre assez chic pour un centre de recherche. La plupart des laboratoires d'astrophysique souterrains, comme SNOLAB , organisent spontanément l'utilisation de mines anciennes ou en exploitation, ce qui limite le temps qui peut être passé en laboratoire et les types d'équipements utilisés.

Le Gran Sasso, situé à un kilomètre sous terre pour la protéger des rayons cosmiques bruyants qui inondent la planète, a abrité plusieurs expériences de physique des particules, sondant les fondements de l'univers. Au cours des dernières années, D'Angelo a partagé son graphique entre l'observatoire Borexino et l'iodure de sodium avec expérience de rejet de fond actif ( SABRE ), qui étudie respectivement les neutrinos solaires et la matière noire.


D'Angelo avec un prototype SABRE fonctionnel

Au cours des 100 dernières années, la description des neutrinos solaires et de la matière noire sont considérées comme les tâches les plus importantes de la physique des particules. Aujourd'hui, le mystère des neutrinos solaires a été résolu, mais ces particules sont toujours extrêmement intéressantes pour les physiciens, car elles donnent beaucoup d'informations sur la fusion nucléaire qui se produit dans notre Soleil et dans d'autres étoiles. Mais la composition de la matière noire est toujours considérée comme l'un des plus grands problèmes de physique nucléaire. Malgré la nature complètement différente de ces particules, les questions de leur étude sont toujours liées, car ces particules ne peuvent être détectées que dans des conditions de rayonnement de fond minimal: à des milliers de mètres sous terre.

«Les montagnes fonctionnent comme un bouclier, donc si vous êtes sous elles, vous expérimentez le soi-disant« silence cosmique », a déclaré D'Angelo. "C'est la partie la plus préférée de mes recherches: vous allez dans la grotte, commencez à travailler avec le détecteur et essayez de comprendre les signaux que vous voyez."

Après ses études, D'Angelo a obtenu un emploi à l'Institut national italien de physique nucléaire, où ses recherches se sont concentrées sur les neutrinos solaires, les particules subatomiques sans charge, résultant de la fusion nucléaire au soleil. Pendant la majeure partie des quatre décennies, les neutrinos solaires ont été au centre de l'un des plus grands mystères de l'astrophysique. Le problème était que les instruments mesurant l'énergie des neutrinos solaires produisaient beaucoup moins de résultats que ceux prédits par le modèle standard - la théorie la plus précise des particules fondamentales en physique.

Étant donné la précision du modèle standard dans d'autres aspects de la cosmologie, les physiciens ne voulaient pas y apporter de modifications pour tenir compte de cet écart. Une explication possible était que les physiciens avaient inventé le mauvais modèle du Soleil, et qu'il était nécessaire d'effectuer des mesures améliorées de la pression et de la température dans son noyau. Cependant, après une série d'observations dans les années 60 et 70, il s'est avéré que, dans l'ensemble, les modèles du Soleil étaient correctement composés, puis les physiciens se sont tournés vers le neutrino pour des explications alternatives.

L'histoire de trois neutrinos

Depuis que le physicien autrichien Wolfgang Pauli a proposé pour la première fois l'existence de neutrinos dans les années 1930, ils ont été constamment attirés par les trous de bouchage dans les théories. Dans le cas de Pauli, l'hypothèse de l'existence de particules extrêmement légères sans charge était un «moyen désespéré» d'expliquer pourquoi la loi de conservation de l'énergie ne fonctionne pas pendant la désintégration radioactive. Trois ans plus tard, le physicien italien Enrico Fermi a donné un nom à ces particules hypothétiques. Il les a appelés « neutrinos », ce qui en italien signifie «petits neutrons».

Un quart de siècle après l’hypothèse de Pauli, deux physiciens américains ont signalé les premiers signes de neutrinos dans un réacteur nucléaire. L'année suivante, 1957, Bruno Maksimovich Pontecorvo , physicien d'origine italienne qui travaillait en URSS, développa la théorie des oscillations des neutrinos . À cette époque, les propriétés des neutrinos étaient mal étudiées et Pontecorvo a suggéré qu'il existe plusieurs types de neutrinos. Dans ce cas, a-t-il suggéré, il était possible que les neutrinos changent de type.

En 1975, la théorie de Pontecorvo a été prouvée. Trois types ou «arômes» différents de neutrinos ont été découverts: l'électron, le muon et le tau. Il est également important que les observations d'une expérience dans le Dakota du Sud montrent que le soleil produit des neutrinos électroniques. Le seul problème était que moins de neutrinos ont été détectés dans l'expérience que prévu par le modèle standard.

Jusqu'à la fin des années 90, il y avait peu de preuves que les neutrinos pouvaient passer d'une saveur à une autre. En 1998, un groupe de chercheurs travaillant à l’Observatoire Super Kamiokande au Japon a observé des oscillations des neutrinos atmosphériques, résultant principalement des interactions des photons avec l’atmosphère terrestre. Trois ans plus tard, la première preuve directe d'oscillations de neutrinos solaires a été obtenue à l'Observatoire canadien de Sudbury (SNO).

Pour dire les choses doucement, cela est devenu un événement majeur en cosmologie. Le mystère des neutrinos solaires manquants, ou pourquoi environ un tiers des neutrinos volant du Soleil ont été observés dans les expériences, a été comparé aux prédictions du modèle standard. Si les neutrinos peuvent osciller, changeant d'arôme, alors les neutrinos émis par le cœur du Soleil peuvent déjà être de différents types lorsqu'ils atteignent la Terre. Jusqu'au milieu des années 80, dans la plupart des expériences sur Terre, seuls les neutrinos électroniques ont été recherchés, ce qui signifie qu'ils ont raté deux autres saveurs qui apparaissent le long du chemin du Soleil à la Terre.

Lorsque SNO a été conçu dans les années 80, il a été conçu de manière à pouvoir détecter les trois types de neutrinos, pas seulement les neutrinos électroniques. Et cette décision a porté ses fruits. En 2015, les directeurs d'expériences de super-Kamiokande et SNO ont partagé le prix Nobel de physique pour avoir résolu le mystère des neutrinos solaires manquants.


Détecteur à Boreksino

Bien que le mystère des neutrinos solaires ait été résolu, il reste beaucoup à faire en science pour mieux les comprendre. Depuis 2007, l'Observatoire Borexino du Gran Sasso a amélioré la mesure des vibrations des neutrinos solaires, fournissant aux physiciens des informations sans précédent sur la fusion nucléaire qui alimente le Soleil. À l'extérieur, l'observatoire ressemble à une énorme sphère métallique et à l'intérieur, il ressemble à une technologie venue d'une autre planète.

Au centre de la sphère se trouve en effet un énorme sac en nylon transparent d'un diamètre de 10 m et d'une épaisseur d'un demi-millimètre. Le sac contient un scintillateur liquide, un mélange chimique qui libère de l'énergie lorsqu'un neutrino le traverse. Cette sphère en nylon est suspendue dans un millier de tonnes de fluide tampon purifié et est entourée de 2200 capteurs capables de détecter l'énergie émise par les électrons, qui est libérée lorsque les neutrinos interagissent avec un scintillateur liquide. Il existe un autre tampon, composé de 3 000 tonnes d'eau ultrapure, qui offre une protection supplémentaire au détecteur. Tous ces éléments réunis assurent la meilleure protection de l'observatoire contre le rayonnement ambiant parmi tous les scintillateurs liquides du monde.

Au cours de la dernière décennie, les physiciens de Borexino - dont D'Angelo, qui a rejoint le projet en 2011 - ont utilisé cet appareil unique pour observer les neutrinos solaires de faible énergie générés par les collisions de protons lors de la fusion nucléaire dans le noyau solaire. Étant donné la difficulté de détecter ces particules ultra-légères sans charge, qui interagissent à peine avec la matière, il serait pratiquement impossible de détecter des neutrinos solaires de faible énergie sans une machine aussi sensible. Lorsque SNO a directement détecté les premières oscillations des neutrinos solaires, il n'a pu observer que les neutrinos solaires les plus énergétiques en raison des interférences du rayonnement de fond. Et cela ne représentait qu'environ 0,01% des neutrinos émis par le Soleil. La sensibilité de Boreksino lui permet d'observer les neutrinos solaires avec une énergie d'un ordre de grandeur inférieur à ceux trouvés par SNO, ce qui ouvre la possibilité de créer un modèle incroyablement raffiné des processus solaires et des phénomènes plus exotiques comme les supernovae.

«Les physiciens ont mis 40 ans à comprendre les neutrinos solaires, et c'était l'un des mystères les plus intéressants de la physique des particules», m'a expliqué D'Angelo. "Quelque chose comme ce qu'est la matière noire maintenant."

Faire la lumière sur la matière noire

Si les neutrinos étaient une particule mystérieuse du XXe siècle, alors la matière noire est un casse-tête de notre époque. De la même manière que Pauli a proposé les neutrinos comme moyen désespéré d'expliquer pourquoi les expériences semblent violer l'une des lois les plus fondamentales de la nature, l'existence de particules de matière noire a été suggérée, car les observations cosmologiques ne convergent pas.

Au début des années 1930, l'astronome américain Fritz Zwicky a étudié les mouvements de plusieurs galaxies dans le Veronica Hair Cluster, une collection de plus de 1000 galaxies situées à environ 320 millions d'années-lumière de la Terre. En utilisant les données publiées par Edwin Hubble , Zwicky a calculé la masse de l'amas galactique entier de Veronica's Hair. Une fois terminé, il a découvert quelque chose d'étrange dans la dispersion des vitesses des galaxies (la distribution statistique des vitesses d'un groupe d'objets): la distribution des vitesses était 12 fois plus élevée que la valeur calculée sur la base de la quantité de matière.


Dans le laboratoire du Gran Sasso

C'était un calcul inattendu et son importance n'a pas échappé à Zwicky. "Si cela est confirmé ", écrit-il , "nous obtiendrons un résultat étonnant, selon lequel il y aura beaucoup plus de matière noire que de matière lumineuse".

L'idée que l'Univers se compose principalement de matière invisible semblait radicale à l'époque de Zwicky - elle le reste aujourd'hui. Cependant, la principale différence est que les astronomes d'aujourd'hui ont beaucoup plus de preuves empiriques pointant son existence. Pour la plupart, cela peut être attribué à Vera Rubin , un astronome américain dont les mesures de la rotation des galaxies dans les années 1960 et 70 ont éliminé tous les doutes sur l'existence de la matière noire. Sur la base des mesures de Rubin et des observations ultérieures, les physiciens pensent que la matière noire représente environ 27% de toute la matière dans l' univers - environ sept fois plus que la matière baryonique ordinaire que nous connaissons. La question principale est en quoi consiste-t-elle?

Depuis les observations pionnières, Rubin a déjà proposé de nombreux candidats au titre de particules de matière noire, mais jusqu'à présent, ils ont tous évité d'être détectés par les instruments les plus sensibles du monde. En partie parce que les physiciens ne savent pas trop ce qu'ils recherchent. Une petite partie des physiciens pense généralement que la matière noire peut ne pas être des particules, mais peut être un effet gravitationnel exotique. Cela rend la conception de l'expérience similaire à la recherche d'une voiture dans un parking près d'un stade auquel les clés récemment trouvées correspondent. Il y a une chance que la voiture soit dans le parking, mais vous devez contourner beaucoup de portes jusqu'à ce que vous la trouviez - si elle est là.

Parmi les candidats à la matière noire, il y a des particules subatomiques avec des noms stupides tels que axions , gravitino , halo compact astrophysique massif (MACHO) et particules massives à interaction faible (WIMP). D'Angelo et ses collègues du Gran Sasso ont mis sur WIMP, qui jusqu'à récemment étaient considérés comme les principaux candidats pour l'énergie sombre.

Cependant, au cours des dernières années, les physiciens ont commencé à rechercher d'autres possibilités, après que certains tests critiques n'ont pas réussi à confirmer l'existence de WIMP. WIMP est une classe de particules élémentaires hypothétiques qui n'interagissent pratiquement pas avec la matière baryonique ordinaire et n'émettent pas de lumière, ce qui les rend extrêmement difficiles à détecter. Ce problème est aggravé par le fait que personne ne sait exactement à quoi ressemblent les WIMP. Inutile de dire qu'il est très difficile de trouver quoi que ce soit si vous ne savez même pas exactement ce que vous recherchez.

Alors pourquoi les physiciens pensent-ils que les WIMP existent même? Dans les années 1970, les physiciens ont conçu le modèle standard de la physique des particules, qui affirmait que tout dans l'univers se compose d'un petit ensemble de particules fondamentales. Le modèle standard explique parfaitement presque tout ce que l'univers peut lui donner, mais il est encore incomplet car la gravité n'est pas incluse. Dans les années 1980, une expansion de SM est apparue sous le nom de supersymétrie , selon laquelle chaque particule fondamentale de SM devrait avoir un partenaire. Ces paires sont connues sous le nom de particules supersymétriques et sont utilisées dans les explications théoriques de diverses énigmes de la physique SM, par exemple, la masse du boson de Higgs et l'existence de la matière noire. Certaines des expériences les plus complexes et coûteuses du monde, comme le Grand collisionneur de hadrons, ont été créées pour tenter de découvrir ces partenaires supersymétriques, mais jusqu'à présent, aucune preuve expérimentale n'a été reçue de leur existence.

Bon nombre des particules les plus légères proposées dans le modèle supersymétrique sont des WIMP, et elles ont des noms tels que gravitino, sneytrino et neutralino. De nombreux physiciens considèrent toujours le dernier d'entre eux comme le principal candidat pour la matière noire, et ils pensent que dans le premier univers, il s'est formé en grande quantité. Trouver des preuves de la présence de cette ancienne particule théorique est le but de nombreuses expériences avec la MT, y compris celle sur laquelle D'Angelo travaille au Gran Sasso.

D'Angelo m'a dit qu'il s'était intéressé à la matière noire plusieurs années après avoir rejoint le laboratoire du Gran Sasso et commencé à contribuer à l' expérience DarkSide , qui semblait être une continuation naturelle de son travail sur les neutrinos solaires. DarkSide, en fait, est un énorme réservoir rempli d'argon liquide et équipé de capteurs incroyablement sensibles. S'il existe des WIMP, les physiciens pensent qu'ils seront capables de les détecter en raison de l'ionisation, qui apparaît en raison de leur interaction avec les noyaux d'argon.

DarkSide se rend au Gran Sasso depuis 2013, et D'Angelo a déclaré qu'il continuerait pendant plusieurs années. Cependant, il est maintenant impliqué dans une autre expérience avec TM dans le Gran Sasso appelée SABRE , qui cherche également des preuves directes de la présence de particules TM basées sur la lumière qui apparaît lorsque l'énergie est libérée à la suite de leurs collisions avec des cristaux d'iodure de sodium.

Le dispositif d'expérience SABRE est spécifiquement conçu pour ressembler à une autre expérience qui se rend au Gran Sasso depuis 1995, sous le nom de DAMA. En 2003, l'expérience DAMA a commencé à rechercher les fluctuations saisonnières des particules de matière noire prévues dans les années 80 en raison du mouvement de la Terre et du Soleil par rapport au reste de la galaxie. Selon la théorie, la vitesse relative de toutes les particules de matière noire trouvées sur Terre devrait atteindre un maximum en juin et un minimum en décembre.


David D'Angelo

Depuis près de 15 ans, DAMA enregistre en effet des fluctuations saisonnières de détecteurs conformes à la théorie et à la signature attendue des particules TM. Il semblait que DAMA était la première expérience au monde à découvrir une particule de matière noire. Mais le problème était que DAMA ne pouvait pas complètement exclure la possibilité que la signature qu'il avait trouvée soit liée à toute autre fluctuation saisonnière de la Terre, et non à des changements dans le flux de matière noire associés au mouvement de la Terre autour du Soleil.

SABRE devrait éliminer l'ambiguïté des données DAMA. Une fois tous les défauts éliminés dans l'équipement, l'expérience au Gran Sasso deviendra moitié SABRE. L'autre moitié sera située en Australie, dans l'ancienne mine d'or. La présence de laboratoires dans les hémisphères nord et sud devrait aider à éliminer tous les faux positifs associés aux fluctuations saisonnières normales. SABRE , .

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