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Hunting for Ghosts: La course à la recherche de matière noire – La startup

Hunting for Ghosts: La course à la recherche de matière noire - La startup


Les physiciens et astronomes du monde entier ont rapidement commencé à construire des instruments et des télescopes capables de surveiller et de rechercher le phénomène de la matière noire sur tous les fronts et dans tous les domaines, déclenchant une explosion d'intérêt pour le sujet. Il existe essentiellement trois méthodes pour détecter une substance invisible comme la matière noire:

  1. Détection directe: Observation de l'interaction directe entre une particule de matière noire et un milieu détecteur à travers la lumière et la charge.
  2. Détection indirecte: Observation des effets de l'annihilation des particules de matière noire dans les constituants visibles du modèle standard.
  3. Fais-le: Création de particules de matière noire avec des accélérateurs de particules et observation de l'énergie manquante dans le détecteur.

Maintenant, il y a des idées vraiment décentes sur la nature et l'origine de la matière noire, mais encore une fois, nous ne faisons que cracher ici, c'est de la science. Le plus populaire est le concept de particules massives à interaction faible ou WIMP. Ils sont exactement ce à quoi ils ressemblent, des particules massives qui interagissent faiblement qui ne se couplent pas à la force électromagnétique (d'où l'invisibilité), sont pratiquement transparentes à la matière normale et sont extrêmement abondantes, apparemment. Nous sommes presque certains qu'il s'agit d'un type de particule, car notre compréhension actuelle de la matière et de l'énergie se résume à l'idée que les particules ne sont que des excitations d'énergie dans les champs quantiques qui imprègnent l'univers. Cette théorie a assez bien fonctionné jusqu'à présent (en fait, comme très bien, elle est super précise) et c'est la théorie dominante pour expliquer tout type de matière que nous observons (ou non). Les autres coupables théoriques populaires sont les Axions, de minuscules petites particules qui se faufilent partout sans être détectées dans l'univers. Les idées vont des trous noirs séniles, des neutrinos, des extra-dimensions et des photons sombres jusqu'aux physiciens frustrés qui babillent sur la meilleure théorie (je plaisante). Sérieusement, cela pourrait littéralement être quelque chose de raisonnable. L'espace des paramètres pour la matière noire est notoirement vaste et varie dans la gamme de masse des particules qui sont éclipsées par le proton aux corps qui sont ~ 30 fois la masse du Soleil. Il y a beaucoup de travail à faire pour les physiciens. Heureusement, ce sont des créatures persistantes et curieuses, qui inventent des pièges et des expériences ingénieuses pour attraper Dark Matter en flagrant délit.

Un graphique tout à fait raisonnable des différents coupables de Dark Matter et de leurs gammes de masse.

Bien qu'il existe de nombreuses expériences et groupes de recherche enquêtant sur l'origine de la matière noire, il n'y en a que quelques-uns qui pourraient être sur le point de détecter la particule toujours insaisissable en concevant l'environnement parfait pour que la matière noire montre ses vraies couleurs. L'objectif est de créer une région de l'espace sur Terre où nous pouvons scruter rigoureusement chaque interaction en tant qu'événements de signal ou d'arrière-plan. Les événements de fond sont le bruit, les déchets qui volent au large des éléments radioactifs tels que le radon et les différents isotopes des éléments qui sont présents dans tout ce qui nous entoure, même le matériau à partir duquel le détecteur est fabriqué. Tous ces arrière-plans doivent être pris en compte afin de détecter la matière noire. La création d'un tel environnement est tout sauf anodine. Les arrière-plans sont si incroyablement dominants que les détecteurs WIMP actuels doivent être protégés du rayonnement cosmique en les plaçant profondément dans la Terre dans les puits de mine et les tunnels de montagne. Même sous terre, les physiciens doivent être extrêmement méticuleux et attentifs à la contamination radioactive et aux sources possibles de bruit de fond.

Un diagramme d'une chambre de projection temporelle Xe et des signaux produits dans le volume du détecteur.

Le principe de fonctionnement de ces types populaires de détecteurs de particules de xénon liquide est assez simple et élégant:

  1. Une particule de matière noire passe à travers la surface de la Terre et dans le milieu détecteur
  2. La particule de matière noire entre en collision avec le noyau xénon dans le détecteur, excitant et ionisant des électrons dans son orbite qui émet de la lumière à une fréquence spécifique, lue comme le premier signal lumineux (S1) par des tubes photomultiplicateurs en bas et en haut du détecteur.
  3. Les électrons ionisés libérés par la collision dérivent vers le haut dans un champ électrique fort et uniforme orienté verticalement.
  4. Les électrons atteignent l'interface liquide-gaz près du sommet du détecteur qui peut ensuite accélérer à travers le gaz xénon provoquant un signal lumineux encore plus grand lu par les PMT en haut, le deuxième signal (S2).

Ces deux signaux, S1 et S2, indiquent aux physiciens presque tout ce qu'ils ont besoin de savoir sur l'emplacement et le type d'interaction qui l'ont provoquée. L'astuce consiste à distinguer quelles interactions proviennent d'événements de fond et lesquelles proviennent de particules de matière noire. C'est un peu comme essayer de trouver un type d'aiguille spécifique dans une pile d'aiguilles; très difficile. Cela revient à éliminer tout ce qui pourrait être un arrière-plan et tout ce qui reste inexpliqué doit être une interaction Dark Matter.

La frontière américaine dans la matière noire est dirigée par la collaboration LUX-ZEPLIN, la fusion de deux expériences précédentes sur la matière noire, LUX et ZEPLIN III, deux détecteurs à chambre de projection temporelle au xénon qui ont recherché les particules et poussé plus loin que jamais dans l'espace des paramètres de sensibilité. avant. Bien que cette expérience soit financée par le Département américain de l'énergie, des physiciens du monde entier travaillent ensemble pour rechercher cette seule particule. L'expérience LUX-ZEPLIN est une cuve géante de 7 tonnes de xénon liquéfié logée près d'un mile sous terre dans un puits de mine déclassé au Sanford Underground Research Facility (SURF) dans le Dakota du Sud. Le détecteur devrait actuellement commencer à prendre des données en 2020. Des expériences concurrentes concurrentes se déroulent aux côtés de LUX-ZEPLIN dans la recherche, en compétition pour atteindre la sensibilité la plus élevée et pousser plus profondément dans les régions de masse inexplorées d'intérêt.

Section efficace WIMP-nucléon vs masse WIMP en GeV. Ce graphique montre à quel point nous sommes proches du plancher de neutrinos et quelles régions nous devons encore atteindre dans l'espace des paramètres.

La course à la recherche de Dark Matter est une course à la meilleure sensibilité. Le tracé ci-dessus est un tracé de sensibilité montrant la section efficace de nucléon WIMP sur l'axe y et la masse WIMP sur l'axe x en GeV. Il montre essentiellement la sensibilité attendue, ou à quel point nos détecteurs peuvent rechercher certains espaces de paramètres. Il montre également une grande région orange en bas. Il s'agit du plancher de neutrinos, un fond irréductible de neutrinos solaires qui commencera à apparaître comme arrière-plan dans le détecteur s'il atteint de telles sensibilités. L'expérience rivale, XENONnT, vise à atteindre une sensibilité similaire à L-Z. XENONnT est enfoui au plus profond d'une montagne au Laboratoire national du Gran Sasso, dans le centre de l'Italie.

Ces expériences représentent les curiosités les plus profondes d'Homo Sapiens en jeu alors que nous recherchons la vraie nature de la réalité et l'origine de la matière et de l'énergie. Ce n'est pas différent que de voyager dans des terres inexplorées pour découvrir quelque chose qui était là tout au long mais qui n'a jamais été réalisable jusqu'à présent. Les humains ont dû créer l'environnement le plus radioactivement silencieux de l'univers connu afin d'être suffisamment sensibles pour découvrir la matière noire, en créant un piège intelligent pour la substance la plus insaisissable connue de l'homme. Si la matière noire existe comme nous le pensons, elle doit obéir à ce que nous croyons être les lois de la physique. S'il obéit aux lois de la physique, il devrait avoir une faille dans son armure très insaisissable, donnant aux physiciens une chance de l'attraper dans l'acte.

Les particules de matière noire sifflent probablement à travers votre visage et votre corps au moment où nous parlons, mais vous ne ressentirez rien. Des milliards de particules de différents types rayonnent à travers notre corps chaque seconde, principalement des neutrinos du soleil. Les neutrinos sont essentiellement transparents à la matière ordinaire, capables de traverser une année-lumière de plomb sans interagir avec des atomes. C'est un miracle de la physique et de l'ingéniosité humaine que nous avons pu les voir et étudier leurs caractéristiques incroyablement bizarres telles que les oscillations et leur mystérieuse origine interstellaire alors que les neutrinos de haute énergie bombardent la planète en permanence. Dark Matter est similaire dans cette nature, mais s'est révélé beaucoup plus difficile à atteindre. Si les expériences en cours à la recherche de matière noire réussissent dans leur quête, cela constituerait l'une des découvertes les plus importantes de l'histoire de notre espèce. Il y a une physique au-delà de notre compréhension et elle attend d'être découverte par des êtres conscients qui habitent et apprécient la beauté de l'univers.

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