Le détecteur sphérique proportionnel, inventé et développé par une équipe du DEDIP de l’Irfu, a été mis en œuvre dans le cadre de l’expérience internationale NEWS-G . Cette collaboration internationale a pour objectif principal la recherche de matière noire sous forme de particules interagissant très faiblement, notamment les WIMPs de basse masse. Un WIMP qui passerait dans un détecteur rempli de gaz laisserait une trace de son passage grâce au recul du noyau atomique du gaz sur lequel il aurait diffusé. Le signal étant ténu, le détecteur doit être à l’abri de tout rayonnement cosmique ou radioactif naturel. Cet abri, c’est le laboratoire souterrain de Modane, le LSM, situé sous 1700m de roches sous le sommet du Fréjus.
Jusqu’à présent aucune expérience n’a détecté ces particules hypothétiques, mais le domaine de masse où elles peuvent exister se réduit. En effet, une non détection permet d’exclure des paramètres de masse et d’interaction avec la matière ordinaire.
En avril 2015, NEWS-G a récemment publié de nouveaux résultats,dans la revue Physical Review Letters, issus d’une campagne de données au LSM durant l’été 2019. Une amélioration significative de la sensibilité du détecteur pour les WIMP légers a permis à NEWS-G d’établir les meilleures limites expérimentales dans un large domaine de masses situées entre 0.1 et 1.3 GeV.
La recherche de la matière noire légère
La matière noire est un composant essentiel pour la compréhension de la structure et de l’évolution de notre univers. Sa nature est encore inconnue mais les WIMPs, particules massives interagissant que via l’interaction faible et la gravitation, constituent une classe générique de candidats potentiels. En dépit des efforts déployés dans le monde entier par de nombreuses expériences (sur collisionneur, dans des experiences souterraines ou dans l’espace), il n’existe jusqu’à présent aucune preuve de l’existence de telles particules, les expériences ne donnant que des domaines d’exclusion dans leur signature en fonction de leur masse.
L’expérience NEWS-G et les résultats obtenus
Le projet NEWS-G vise à étendre la recherche de WIMPs dans un domaine, de masses particulièrement faibles allant jusqu’à 0,1 GeV.
L’expérience repose sur l’utilisation d’un compteur proportionnel sphérique (SPC) de 140 cm de diamètre, rempli de différents gaz. Ce détecteur est conçu pour identifier des événements de diffusion élastique de WIMPs (traversant le détecteur) sur des noyaux atomiques du gaz du détecteur. Cette diffusion , produit des reculs nucléaires de très faible énergie, typiquement supérieurs à 1 keV. La sphère a été fabriquée en France en utilisant un cuivre ultra pur (C10100), afin de minimiser le bruit de fond induit par la radioactivité intrinsèque des matériaux.
Les résultats présentés sur la figure 1 ont été obtenus lors d’une campagne de mesures , réalisée au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM). Pour ces mesures, la sphère était remplie de méthane (CH4) pur porté à une pression de 135 mbar. Ce gaz, riche en hydrogène, favorise l’intensité du recul nucléaire du noyau cible.
La figure 1 illustre la sensibilité (liée à la probabilité d’intéraction détectable) en fonction de la masse du WIMP, comparée aux résultats d’autres projets internationaux. La courbe rouge correspond aux résultats obtenus par NEWS-G et constitue la meilleure limite actuelle pour la production de WIMPs dans la gamme d’énergie 0.1 à 1.3 GeV.
La stratégie de recherche directe des WIMPs
repose sur la détection des reculs nucléaires induits par la diffusion élastique avec les WIMPs. Ces événements rares produisent de petites énergies d’ionisation, de l’ordre du keV ou moins, qui sont difficiles à détecter, d’où l’importance de déterminer précisément l’énergie déposée par un recul nucléaire dans un milieu.
Ce résultat exceptionnel (fig 1) a nécessité la réalisation de mesures complémentaires afin de quantifier la fraction de l’énergie déposée par les reculs nucléaires qui est convertie en ionisation détectable. En effet, suite à une interaction sur un noyau atomique, seule une fraction de l’énergie de recul nucléaire est libérée sous forme d’ionisation qui sera détectable. Le facteur de quenching (QF) représente cette fraction. La mesure de ce facteur dans la gamme des keV est un défi car l’énergie cinétique de l’ion doit être établie avec précision. Si QF tend vers 1 (~100%) pour des énergies élevées, il décroît fortement à basse énergie, en particulier au-dessous de quelques keV, soit la gamme d’énergie typique pour les reculs nucléaires induits par des WIMPs dans le détecteur NEWS-G.
Dans ce contexte, une collaboration entre notre équipe et le LPSC du CNRS à Grenoble a été mise en place pour effectuer ces mesures complexes. Celles-ci ont été réalisées à l’aide du dispositif COMIMAC, un détecteur développé au DEDIP, auprès d’un accélérateur basse énergie situé au LPSC capable de produire des ions à une énergie similaire à celle des reculs nucléaires.
La figure 2 présente la courbe du facteur de quenching obtenue avec COMIMAC (en bleu), comparée à d’autres résultats expérimentaux obtenus auprès de réacteurs nucléaires, ainsi qu’à des évaluations issues de simulations numériques.
Ces données permettent de mieux contraindre la réponse du détecteur à basse énergie et d’affiner l’analyse des résultats de l’expérience NEWS-G.
En conclusion, cette étude menée par l’expérience NEWS-G établit des limites encore plus précises sur les interactions possibles entre la matière de type WIMP de faible masse et la matière ordinaire, nous rapprochant ainsi un peu plus de la compréhension de cette composante mystérieuse qui constitue la majeure partie de l’univers.
Le détecteur est actuellement en phase de prise de données au laboratoire souterrain SNOLAB (Canada) pour une nouvelle campagne de prise de données afin réduire encore la zone d’exclusion en dessous de 01 GeV.
Contact Irfu : Ioannis GIOMATARIS
actualités précédentes (sur le site Irfu):
- décembre 2019 L’Irfu sort de terre un nouveau système de détection de la matière noire
- mars 2015: La chasse à la matière noire légère avec la SPHERE
- novembre 2008: Le nouveau compteur à billes en action