Measurement of the Ar specific activity in atmospheric argon with DArT at the Canfranc Underground Laboratory
En utilisant le détecteur DArT au Laboratoire souterrain de Canfranc, des chercheurs ont mesuré l'activité spécifique de l'Ar dans l'argon atmosphérique à , établissant la détermination la plus précise à ce jour et validant le détecteur pour de futures expériences de matière noire.
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Profondément sous la surface de la Terre, dans un laboratoire calme creusé dans les montagnes des Pyrénées en Espagne, des scientifiques écoutent les murmures les plus ténus de l'univers. Ils recherchent la matière noire, cette substance invisible qui constitue la majeure partie de la masse du cosmos mais qui refuse d'interagir avec la lumière. Pour en apercevoir un indice, les chercheurs utilisent des réservoirs remplis d'argon liquide, un gaz noble qui brille brièvement lorsqu'il est frappé par une particule. Cette lueur agit comme un signal, un flash de lumière qui indique à un détecteur qu'une collision a eu lieu. Cependant, il y a un problème avec l'argon que nous respirons. L'argon présent dans notre atmosphère contient une infime quantité d'un isotope radioactif appelé argon-39. Cet isotope agit comme un bruit statique constant et de faible intensité, émettant des électrons qui peuvent imiter les signaux mêmes que les scientifiques tentent de trouver. Pour entendre le faible murmure de la matière noire, ils doivent savoir exactement quelle est l'intensité de ce bruit statique, et ils doivent trouver une source d'argon totalement exempte de celui-ci.
Une équipe de chercheurs a récemment mené une mesure précise pour déterminer exactement quelle quantité de ce bruit radioactif existe dans l'argon atmosphérique. Ils ont utilisé un petit détecteur très sensible appelé DArT, qui repose à l'intérieur d'un cryostat rempli d'azote liquide pour maintenir l'argon froid et liquide. L'expérience a été conçue pour être aussi propre que possible, en utilisant un point de référence unique : un échantillon d'« argon souterrain ». Ce gaz spécial a été extrait de puits profonds dans le Colorado, où il est isolé de l'atmosphère depuis des millions d'années, ce qui signifie qu'il ne contient presque plus d'argon-39 radioactif. En comparant le niveau de bruit de l'argon atmosphérique à celui, presque silencieux, de l'argon souterrain, l'équipe a pu mesurer l'activité spécifique de l'isotope radioactif avec une précision sans précédent.
Les chercheurs ont d'abord rempli leur détecteur avec l'argon atmosphérique, puis avec l'échantillon souterrain. À l'intérieur du détecteur, l'argon liquide sert à la fois de source de rayonnement et de milieu pour capturer la lumière. Lorsqu'un atome d'argon-39 se désintègre, il libère un électron qui crée un flash de lumière. Le détecteur, équipé de capteurs de lumière ultra-sensibles, compte ces flashs. Comme l'argon souterrain possède un niveau de radioactivité si bas, il a servi de référence de fond parfaite. L'équipe n'a pas eu besoin de s'appuyer sur des simulations informatiques complexes pour deviner à quoi devrait ressembler le bruit de fond ; elle a simplement pu soustraire le signal de l'échantillon souterrain du signal de l'échantillon atmosphérique. Cette comparaison directe a éliminé de nombreuses incertitudes qui compliquent habituellement de telles mesures.
L'étude a produit un chiffre très précis pour l'activité spécifique de l'argon-39 dans l'atmosphère : 0,955 désintégrations par seconde pour chaque kilogramme d'argon. Ce résultat est cohérent avec les mesures précédentes mais est nettement plus précis, réduisant l'incertitude d'un facteur trois par rapport aux meilleures données antérieures. Les chercheurs ont confirmé ce résultat en utilisant deux méthodes différentes : une technique de comptage directe et une analyse statistique plus complexe du spectre d'énergie. Les deux approches sont parvenues à la même conclusion, renforçant la fiabilité du résultat. Ils ont également vérifié soigneusement d'autres sources d'interférence, telles que des fuites d'azote ou d'autres contaminants radioactifs, et ont constaté que leur détecteur est resté stable et pur tout au long des longues périodes de collecte de données.
Cette mesure est une pièce cruciale du puzzle pour les futures expériences visant à détecter la matière noire. Des projets tels que DarkSide-20k et LEGEND-1000 prévoient d'utiliser des centaines de tonnes d'argon liquide pour traquer les particules de matière noire. Pour que ces détecteurs massifs fonctionnent, ils doivent utiliser un argon qui a été purifié pour éliminer l'argon-39 radioactif. Connaître la quantité exacte de radioactivité initiale dans le gaz atmosphérique brut permet aux scientifiques de calculer la purification nécessaire et de prédire les niveaux de bruit de fond dans leurs expériences finales avec confiance. Le succès du détecteur DArT lors de ce test valide également la technologie qui sera utilisée dans les installations souterraines plus vastes, prouvant que les capteurs et les systèmes cryogéniques peuvent fonctionner de manière fiable dans les conditions difficiles requises pour ces investigations de l'espace profond.
Les conclusions ont également des implications au-delà de la physique des particules. L'argon-39 est utilisé pour la datation des eaux souterraines et de la glace, aidant les scientifiques à comprendre l'histoire du climat et les mouvements de l'eau sur des échelles de temps allant de quelques décennies à un millénaire. L'incertitude sur l'activité atmosphérique affecte directement la précision de ces datations. En fixant cette valeur avec une telle précision, les chercheurs ont fourni une référence plus fiable pour la datation des échantillons d'eau jeunes. Ce travail démontre qu'en utilisant une comparaison simple et directe entre deux échantillons de gaz — l'un bruyant et l'autre silencieux — les scientifiques peuvent éliminer les conjectures et révéler la véritable nature des matériaux qui composent notre monde et l'univers au-delà.
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