L'équipée d'Edelweiss III.
L’expérience Edelweiss III inspecte la matière noire à travers ses agents les plus secrets : les Wimps. Armés de bolomètres ultra-sensibles installés au cœur du laboratoire souterrain de Modane, l'équipe de recherche traque le signal de cette hypothétique particule. Une nouvelle campagne de recherche, menée durant 8 mois, vise en particulier à tester des indications de signal WIMP potentiel autour de 10 GeV publiées par 4 autres expériences.
Résultat d'Edelweiss: pas de signal! Aucun des candidats, apparus entre 2010 et 2014, n’est recevable pour porter le titre de Wimp. Les campagnes suivantes permettront d'explorer le territoire encore inconnu des WIMPs de très basse masse, en deça de 10 GeV. Les résultats viennent d'être présentés à la conférence internationale TAUP 2015 (Topics in Astroparticle and Underground Physics).
La masse des particules de matière noire.
La cosmologie moderne a maintenant bien établi l'existence de la matière noire. Mais la nature de celle-ci reste encore une énigme complète. Les WIMPs, des particules massives interagissant faiblement, constituent une hypothèse plausible. Les modèles de WIMPs massifs supersymétriques, de masse environ 100 GeV, sont soumis à de nombreuses contraintes obtenues tant par des recherches sur accélérateurs que par des expériences de détection directe de type Xénon. Mais les contraintes sont bien plus lâches pour des particules de masse comprise entre 1 et 10 GeV, et il faut noter qu'entre 2010 et 2014, plusieurs expériences de détection directe ont observé des excès potentiellement associés à un WIMP dont la masse serait comprise entre 6 et 30 GeV.
Pour détecter directement des WIMPs de si basse masse avec une bonne sensibilité, il faut disposer de détecteurs possédant à la fois un seuil en énergie extrêmement bas, des bruits de fond réduits et une masse active raisonnable. C'est l'objectif actuel du projet EDELWEISS-III.
A la suite d'une diffusion élastique d'un WIPM sur un noyau, l'expérience détecte le signal d'ionisation et le recul nucléaire.
Limite sur la section efficace d'interaction WIMP-nucléon pour les WIMPs de basse masse obtenue avec les données d'EDELWEISS-III (courbe rouge continue). Les différentes zones colorées correspondent aux indices de détection publiés au cours des années précédentes par plusieurs autres expériences.
Résultats d'une recherche de WIMPs de basse masse avec EDELWEISS-III.
L'expérience EDELWEISS-III, installée au Laboratoire Souterrain de Modane, utilise des bolomètres massifs en Germanium à double lecture chaleur-ionisation afin de détecter les reculs nucléaires générés par des WIMPs, avec de très hautes performances de discrimination des divers bruits de fond radioactifs. L'Irfu est impliqué depuis près de 5 ans dans le programme, avec des responsabilités majeures comme la fabrication de nombreux éléments de l'expérience, l'électronique, la coordination des runs et des analyses.
Une recherche de WIMPs de basse masse a été menée à partir des données prises entre l'été 2014 et le printemps 2015 avec huit détecteurs. Grâce à des performances largement améliorées par rapport à EDELWEISS-II, à une modélisation approfondie, une limite sur la section efficace d'interaction WIMP-noyau a pu être présentée à la conférence TAUP, qui exclut l'ensemble des excès observés auparavant par d'autres expériences (figure ci contre). Ce résultat confirme les conclusions d'une étude similaire menée par l'expérience SuperCDMS, et démontre la sensibilité de ces détecteurs à une gamme de masses de WIMPs que l'expérience au xénon liquide LUX n'a pu atteindre (par exemple pour des masses en dessous de 6 GeV).
Vers la recherche de matière noire aux plus basses masses.
Diverses R&D sur les détecteurs et leur environnement sont en cours au sein de la collaboration, et en particulier à l'Irfu. Au-delà de l'exclusion définitive des signaux potentiels observés pour des masses d'environ 10 GeV, elles permettront d'explorer des WIMPs de plus basse masse - un nouvel espace de paramètres essentiellement vierge de contraintes à ce jour.
Les sensibilités attendues à l'horizon 2017, pour divers modes d'opérations anticipés des détecteurs, sont présentées ci-contre. A plus long terme, l'expérience EDELWEISS pourrait rejoindre SuperCDMS afin de bénéficier d'une nouvelle infrastructure plus performante permettant d'atteindre la sensibilité ultime pour parvenir à la détection des neutrinos solaires par diffusion cohérente - dont la signature est similaire à celle des WIMPs de basse masse.
Contact: Eric Armengaud
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Sensibilités attendues avec les prochaines générations de détecteurs EDELWEISS, pour une exposition modérée de 350 kg-jours. Les différentes courbes de couleur correspondent à diverses performances et modes d'exploitation des détecteurs. La zone grisée en bas à gauche correspond au "plancher" des neutrinos solaires, le bruit de fond ultime des recherches de WIMPs.
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• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) • Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département de Physique des Particules (DPhP)
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Dernière mise à jour : 21-11-2024
