Rebooting the search for dark matter

Reprise de la recherche de matière sombre

À Sudbury, les astrophysiciens espèrent trouver la masse manquante de l'univers
8 juillet 2009
La sphère d'un diamètre de 17 mètres dans la mine de Creighton de la société Vale Inco.

Ernest Orlando, Lawrence Berkeley National Laboratory

Alors qu’un câble de deux kilomètres fait descendre une cage d’ascenseur dans un labyrinthe de passages étouffants de chaleur menant aux « chambres propres » de l’Observatoire de neutrinos de Sudbury (ONS) ou SNOLAB, le chercheur Chris Jillings lance : « Ce n’est qu’une journée ordinaire au boulot, mais de temps à autre, je me rends compte que tout ceci est vraiment très cool. »

Qui se serait douté qu’on puisse chercher des indices sur la nature de l’univers dans une mine de nickel? Pourtant, en cette Année mondiale de l’astronomie, on est en train d’agrandir les célèbres installations construites pour étudier les neutrinos. Cela aidera les chercheurs à diriger la recherche mondiale sur la matière sombre et peut-être à trouver des réponses au plus grand mystère que recèlent les cieux.

La sphère de l’Observatoire de neutrinos de Sudbury, d’un diamètre de 17 mètres, pourrait sortir directement d’un roman de science-fiction : elle ressemble à un œil d’insecte géant. Le dispositif, situé au fond de la mine de Creighton de la société Vale Inco, a été vidé des milliers de tonnes d’eau lourde qu’il contenait. Cette eau était utilisée pour détecter les neutrinos, ces particules presque dénuées de masse qui peuvent nous apprendre comment fonctionnent les étoiles, comment elles meurent et de quoi est composé l’univers. Après sept ans de tâtonnements dans le noir, les chercheurs du laboratoire de l’Observatoire de neutrinos de Sudbury ont prouvé que ces particules ont effectivement une masse.

L’appareil de détection d’origine de l’Observatoire de neutrinos de Sudbury sera bientôt réaménagé pour permettre des expériences de prochaine génération qui se concentreront davantage sur la nature des neutrinos. Les tunnels sont également le site de l’ambitieux projet DEAP (« Dark Matter Experiment with Argon and Pulse-Shape Discrimination », c’est-à-dire la recherche sur la matière sombre au moyen de la discrimination par forme d’impulsion et d’argon liquide), qui vise à définir la matière sombre.

Du haut d’une passerelle haute de trois étages et d’un escalier métalliques, Chris Jillings nous mène vers le « couloir cubique ». D’ici 2011, l’espace de 15-par-15-par-18 mètres cubes abritera un contenant acrylique rempli de 3 600 kilogrammes d’argon liquide, la pièce maîtresse de l’expérience DEAP 3600.

Une illustration de l
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Une illustration de l'appareil de détection du projet DEAP-3600.
SNOLAB

« Nous utilisons l’argon parce que, pour trouver la matière sombre, il faut un détecteur propre, de grande taille, qui est facile à purifier et ce, à faible coût », affirme Chris Jillings, qui se tient à la limite de l’endroit où l’immense réservoir recevra les particules de la « masse manquante » de l’univers. L’équipe cherchera un type de matière sombre théorique, des particules massives à faible interaction qu’on appelle WIMP (acronyme de « Weakly Interacting Massive Particles ») : si  elles sont captées, elles se disperseront comme des boules de billard dans le réservoir, exciteront l’argon et émettront de la lumière. Le défi consistera à distinguer la lumière qui est émise par les WIMP de celle émise par les neutrons – puisque ceux-ci émettent la même lumière lorsqu’ils frappent l’argon.

« Sur la terre ferme, c’est comme essayer d’entendre un chuchotement pendant un concert rock », explique le codirecteur du laboratoire de l’Observatoire de neutrinos de Sudbury, Fraser Duncan. Mais sous terre, il y a beaucoup moins d’interférence : « Il y a 50 millions fois moins de rayons cosmiques qui peuvent s’interposer. »

C’est ce précieux silence des muons (particules similaires aux électrons, mais pourvues de plus de masse) et la radiation qui y est associée qui font que ce dernier projet du SNOLAB est de calibre mondial. Trouver la matière sombre en éliminant tout le « bruit de fond » représenterait le grand coup scientifique de la décennie pour le Canada. Fraser Ducan ajoute : « Pour nous, la découverte du saint Graal, ce serait d’éliminer tous les rayons cosmiques et d’établir un écran de protection contre la radiation au sol. L’élément le plus radioactif ici, en ce moment, c’est le café! »

Si tout se passe bien, l’équipe du projet DEAP affirme qu’elle sera en mesure d’identifier quelques WIMP qui interagissent dans le détecteur au cours d’une année. Le fait même de trouver une seule particule massive à faible interaction serait un événement historique : jusqu’à ce jour, personne n’a encore détecté la matière sombre, et il existe plus d’une douzaine d’établissements dans le monde qui tentent d’accomplir cet exploit.

« Nous pensons que les particules de matière sombre existent et qu’elles sont massives, dit Chris Jillings, mais elles sont difficiles à observer. S’il était facile de les recréer dans un accélérateur de particules, par exemple, nous aurions pu les apercevoir, depuis le temps. »

Le « Cubic Hall » renfermera le
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Le « Cubic Hall » renfermera le projet DEAP-3600.
SNOLAB

Alors, que se passera-t-il si l’équipe découvre de la matière sombre? Chris Jillings répond :

« Nous évaluerons nos résultats pour être absolument certains qu’il ne s’agit pas d’un bruit de fond, nous rédigerons une communication sur le sujet et nous boirons une bouteille de Veuve Clicquot. »

Cinq choses à savoir sur la matière sombre

  1. Nous ne pouvons pas vraiment définir de qu’est la matière sombre.
  2. Peu importe ce qu’elle est, les mesures récentes en cosmologie établies à l’aide d’observations faites au sol ou par satellite indiquent toutes que la matière sombre représente 25 % de toute la masse et de l’énergie dans l’univers. Cette proportion est plus élevée que celle de tous les éléments connus. L’hydrogène, l’hélium et tous les autres éléments moins abondants constituent seulement 5 % de la masse de l’univers.
  3. Il existe moins de matière sombre que d’« énergie sombre », qui représenterait jusqu’à 70 % de la masse de l’univers.
  4. Il se pourrait que ce soit la matière sombre qui détermine la vitesse et la rotation des galaxies et qui fait en sorte que leur rotation soit plate.
  5. Personne n’a jamais mesuré la matière sombre.

Au sujet de L’OBSERVATOIRE DE NEUTRINOS DE SUDBURY

  • Chaque aller et retour en ascenseur au laboratoire coûte 175 $.
  • Tous les employés du SNOLAB reçoivent la même formation pour travailler à la mine d’Inco que n’importe quel travailleur minier.
  • Il existe trois types de neutrinos : l’électron, le muon et le tau.
  • Les bobines de cuivre autour des parois de l’enceinte abritant le détecteur SNO créent un champ magnétique qui neutralise le champ magnétique de la Terre, ce qui accroît l’efficacité du détecteur. On obtiendrait le même résultat en pourvoyant l’appareil de 1 000 détecteurs de lumière supplémentaires.

Encadré: Un halo galactique

Le nom évoque peut-être un jeu vidéo de tir subjectif, mais, en fait, HALO (« Helium and Lead Observatory », c’est-à-dire l’observatoire d’hélium et de plomb) désigne d’autres expériences menées au laboratoire de l’Observatoire de neutrinos de Sudbury. Il s’agit d’un système de détection précoce de supernovas. Dans quelques dizaines d’années-lumières – donc pas dans un avenir rapproché – une supernova pourrait inonder la Terre de doses de radiation mortelles.

À l’Université Laurentienne, le professeur Clarence Virtue, un des chercheurs participant au projet HALO, déclare : « Un jet de neutrinos est expulsé du noyau d’une étoile de 30 minutes à 10 heures précédant son explosion en supernova. Nos travaux sont menés avec l'aide de d’autres détecteurs de supernovas sensibles aux neutrinos à l’affût de tels phénomènes. Autrement dit, les résultats issus d’un détecteur peuvent corroborer ceux d’un autre. »

Comme dans le cas de l’expérience de neutrinos initiale du SNOLAB, le projet HALO se déroule deux kilomètres sous terre, ce qui permet aux chercheurs d’avoir des renseignements privilégiés sur un certain nombre de phénomènes propres à l’espace. Si l’observatoire HALO décelait l’existence d’une supernova, la communauté internationale en serait alertée dans un délai de 20 minutes.