Characterization of spurious-electron signals in the double-phase argon TPC of the DarkSide-50 experiment

La recherche de la matière noire, cette substance invisible qui constitue la majeure partie de la masse de l'univers, est l'une des quêtes les plus ambitieuses de la physique moderne. Les scientifiques pensent que s'ils parviennent à capturer une seule particule de matière noire heurtant un atome, ils pourraient percer les secrets du cosmos. Pour ce faire, les chercheurs construisent des détecteurs massifs et ultra-sensibles, situés profondément sous terre, protégés des rayons cosmiques et des autres bruits de fond. Ces détecteurs sont souvent remplis de gaz nobles liquides, tels que l'argon ou le xénon, maintenus à des températures plus froides que l'espace extérieur. Lorsqu'une particule frappe un atome dans le liquide, elle crée un minuscule flash de lumière et détache des électrons. Le détecteur capture ces signaux pour reconstruire l'événement. Cependant, la traque est incroyablement difficile car les signaux de la matière noire sont censés être ténus, représentant souvent seulement quelques électrons. Pour les trouver, les scientifiques doivent être capables de distinguer un véritable impact de matière noire de toute autre source de bruit qui pourrait le simuler. Si le détecteur ne peut faire la différence, le signal ténu se perd dans le statique.

Dans l'expérience DarkSide-50, située profondément à l'intérieur d'une montagne en Italie, une équipe de physiciens a passé des années à étudier un type spécifique de bruit qui les intriguait : les « électrons parasites ». Il s'agit d'électrons égarés qui apparaissent dans le détecteur sans cause évidente, telle qu'une désintégration radioactive ou une collision de matière noire. Ils se manifestent sous forme de petits signaux qui ressemblent aux impacts les plus faibles qu'une particule de matière noire pourrait produire. Pendant des années, ces événements ont été un mystère, et leur présence a forcé les scientifiques à ignorer les niveaux d'énergie les plus bas de leurs données, les rendant de fait aveugles aux particules de matière noire les plus légères et les plus évasives. Les chercheurs voulaient savoir précisément d'où venaient ces électrons et comment les arrêter. En analysant des milliers d'heures de données de leur détecteur d'argon liquide, ils ont découvert que ces signaux indésirables n'étaient pas des dysfonctionnements aléatoires, mais plutôt des libérations différées d'électrons piégés par des impuretés invisibles dans le liquide, et dans certains cas, causés par la propre lumière interne du détecteur.

L'expérience s'est déroulée dans un réservoir cylindrique rempli de 46 kilogrammes d'argon souterrain, une forme rare de ce gaz qui a été débarrassée d'un isotope radioactif naturel afin de rendre le détecteur plus propre. Le réservoir est entouré d'un mur de plastique réfléchissant et tapissé de capteurs spéciaux capables de détecter les plus faibles éclats de lumière. Lorsqu'un événement se produit, l'argon liquide produit un flash de lumière immédiat, suivi d'un signal différé créé par des électrons dérivant vers le haut à travers le liquide et pénétrant dans une fine couche de gaz, où ils produisent un second flash, plus brillant. L'équipe s'est concentrée sur les signaux les plus petits, ceux impliquant moins de quatre électrons, qui sont les plus difficiles à séparer du bruit de fond. Ils ont découvert qu'une proportion significative de ces événements, allant de 30 à 70 pour cent selon le moment, n'était pas aléatoire mais liée à des événements précédents dans le détecteur.

Les chercheurs ont découvert que ces électrons parasites étaient souvent libérés avec un délai après qu'un événement plus important s'est produit. Ils ont observé deux modèles principaux de délai : une libération plus rapide survenant environ 5 millisecondes après l'événement initial, et une libération plus lente prenant environ 40 à 80 millisecondes. Dans certains cas, lorsque le système utilisé pour purifier le gaz argon était temporairement arrêté pour maintenance, un troisième type de délai apparaissait, durant environ 16 millisecondes. Ce minutage était crucial car il suggérait que les électrons n'apparaissaient pas de nulle part, mais étaient capturés par des impuretés dans le liquide pour être ensuite libérés. L'étude a montré que le taux de ces événements était directement lié à la propreté du liquide. Lorsque le système de purification fonctionnait, le taux de ces électrons différés chutait. Lorsque le système était contourné, le taux augmentait de façon spectaculaire, confirmant que les impuretés chimiques étaient les coupables.

Pour comprendre la nature de ces impuretés, l'équipe a examiné le comportement des électrons. Ils ont constaté que la probabilité qu'un électron soit piégé et libéré plus tard augmentait si l'événement d'origine se produisait plus profondément dans le liquide, ce qui signifie que l'électron devait parcourir une distance plus longue. Cela a confirmé que les électrons dérivaient à travers le liquide et se faisaient capturer par quelque chose en chemin. Les chercheurs ont également noté que le nombre d'électrons libérés lors d'un seul événement parasite était généralement faible, souvent un ou deux, mais parfois plus. Ils ont trouvé que la probabilité de libérer plusieurs électrons à la fois était cohérente avec un mécanisme spécifique : la lumière de l'événement initial frappait une grille métallique à l'intérieur du détecteur et arrachait des électrons secondaires. Cette grille, qui aide à guider les électrons, agissait comme une source de production d'électrons involontaire et minuscule lorsqu'elle était frappée par la propre lumière du détecteur.

L'étude a également écarté plusieurs autres possibilités. Les chercheurs ont vérifié si les délais étaient causés par le type d'impureté le plus courant, l'oxygène, mais ont constaté que le comportement des électrons parasites ne correspondait pas à ce qui serait attendu de l'oxygène. Ils ont également examiné l'azote, un autre contaminant potentiel, mais les données suggéraient que les niveaux étaient trop bas pour en être la cause principale. Au lieu de cela, les preuves pointaient vers un mélange de différentes impuretés, dont certaines pourraient être des gaz volatils se déplaçant facilement entre les phases liquide et gazeuse, et d'autres pourraient être des molécules plus complexes. L'équipe a également trouvé que le taux de ces événements était corrélé à la température d'un piège froid utilisé pour éliminer le radon, suggérant qu'au moins une des impuretés était captée par ce filtre froid.

Peut-être plus important encore, les chercheurs ont découvert que les événements « non corrélés » — ceux qui ne semblaient pas suivre un événement précédent — pourraient en fait faire partie de la même famille. Ils ont observé un petit nombre d'événements qui semblaient présenter un délai beaucoup plus long, dépassant la seconde, ce qui était trop long pour être facilement suivi dans leurs données. Ils soupçonnent que beaucoup des événements qu'ils pensaient être aléatoires étaient en réalité des libérations différées d'impuretés qui n'avaient pas encore été identifiées. L'étude suggère que si la source de ces électrons peut être mieux comprise et contrôlée, les futures expériences seront capables d'abaisser leur seuil de détection. Cela leur permettra de voir des signaux encore plus ténus, ouvrant la porte à la découverte de particules de matière noire plus légères qui sont restées cachées jusqu'à présent.

Le travail réalisé par la collaboration DarkSide-50 fournit une feuille de route claire pour améliorer la sensibilité des futures recherches sur la matière noire. En identifiant que ces signaux parasites sont largement causés par des électrons piégés par des impuretés et libérés avec un délai, l'équipe a fait passer le domaine de l'hypothèse à la certitude. Ils ont démontré que la pureté du liquide est primordiale et que la conception du détecteur, y compris les matériaux utilisés pour les grilles internes, joue un rôle critique dans la minimisation du bruit de fond. Les conclusions suggèrent qu'avec de meilleurs systèmes de purification et une sélection rigoureuse des matériaux, la prochaine génération de détecteurs pourra sonder plus profondément les secrets sombres de l'univers que jamais auparavant, transformant ce qui était autrefois un bruit de fond confus en une partie gérable et compréhensible de l'expérience.