principe du détecteur sphérique
Dans le cadre de la recherche de la matière noire, en ce début d’année 2015, la sphère SEDINE avec ses 60cm de diamètre, 390 litres de Néon, son niveau de bruit extrêmement faible, et une seule voie de lecture a rejoint et même amélioré les meilleurs résultats internationaux d'exclusion sur la recherche des WIMPS de basses énergies (entre 100 MeV à 4 Gev). Cette R&D innovante et prometteuse pour la détection directe de matière noire débouche déjà sur un projet de nouvelle sphère de 2 m de diamètre réalisée en collaboration avec l’Irfu pour le laboratoire SNOLAB1 et prendra des données d’ici 2 ans.
Le compteur sphérique proportionnel est un nouveau concept de détecteur gazeux développé par une équipe du Sédi au sein de l’Irfu. A la fois robuste et présentant une bonne résolution en énergie ce détecteur est capable de capter de très faibles dépôts d’énergie jusqu’à l’électron unique.
Une bille métallique, placée au centre d’une grande enceinte sphérique remplie de gaz, est polarisée à une haute tension de façon à créer un champ radial. Les charges sont amplifiées dans le gaz par un phénomène d’avalanche, analogue à celui utilisé pour les chambres à fils ou les détecteurs Micromégas, produisant ainsi un signal lu par une électronique adaptée.
Un détecteur sphérique de 60 cm de diamètre, la SEDINE a été fabriqué avec des matériaux sélectionnés pour leur basse radioactivité. Pour se protéger des rayons cosmiques le détecteur a été installé dans le laboratoire souterrain de MODANE au sein d’un château de plomb, cuivre et polyéthylène réduisant l’effet de la très faible radioactivité du laboratoire.
Le détecteur est rempli avec du Néon ou de l’Hélium jusqu’à une pression pouvant atteindre 4 bars. Le but est de détecter les faibles dépôts d’énergie produits par le recul du noyau, lors de l’interaction élastique d’une particule de matière noire (WIMP) avec un noyau du gaz.
Les derniers résultats obtenus avec du Néon à 3 bars sont remarquables. Le niveau du bruit à basse énergie (50 eV) est 10 fois plus faible que celui obtenu avec le meilleur détecteur germanium. Ce bas seuil et l’emploi de gaz de faible masse atomique est la clé permettant à notre détecteur sphérique d’explorer des masses de WIMPs légers allant jusqu’à 100 MeV, domaine pour lequel les autres techniques (Germanium ou Xénon liquide) sont peu sensibles. Même si la matière noire n’a pas encore été observée, notre expérience permet d’obtenir, avec un dispositif simple et peu onéreux, les meilleures limites mondiales d’exclusion pour les WIMPs légers de masse inférieure à 4 GeV.
La SEDINE dans son château au LSM
comparaison avec les grandes collaborations Internationales de la figure d’exclusion obtenue avec la SEDINE au LSM (points ronds orange). LUX et XENON100 détecteur au Xénon liquide, SuperCDMS détecteur au Ge et CRESST II détecteur au Ca.
En utilisant des gaz de faible nombre atomique (He, H) nous ouvrons une voie inédite pour cerner des WIMPS à des masses allant jusqu’à 100 MeV.
La sensibilité du détecteur devrait être encore améliorée dans les prochains mois en augmentant l’épaisseur du blindage.
Dans le futur, en collaboration avec l’Université de Kingston au Canada, une nouvelle sphère de 2 m de diamètre sera réalisée et installée au laboratoire souterrain SNOLAB et devrait prendre ses premières données d’ici 2 ans.
Contact : Giomataris Ioannis
1 : laboratoire international d’astrophysique SNOLAB de la Queen’s University (Canada) situé à deux kilomètres sous la terre est l’un des plus importants laboratoires souterrains du monde. Gilles Gerbier, physicien du SPP et spécialiste de la recherche en matière noire est titulaire d’une chaire d’excellence dans cette université depuis septembre 2014.
Simulation des figures d’exclusion que l’on pourra atteindre avec la sphère de 2m de diamètre avec 3 différents gaz (Hydrogène, Hélium et Néon)
• Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département de Physique des Particules (DPhP)
