Cryogenic characterisation of the FBK NUV-HD-cryo Silicon Photomultipliers for the DarkSide-20k dark matter experiment

Profondément sous la montagne du Gran Sasso en Italie, une expérience massive est en cours de construction pour écouter le plus faible murmure des habitants les plus insaisissables de l'univers : la matière noire. Les scientifiques pensent que cette substance invisible constitue la majeure partie de la matière du cosmos, pourtant elle interagit rarement avec la matière ordinaire que nous pouvons voir et toucher. Pour entrevoir une particule de matière noire, les chercheurs utilisent un réservoir rempli de tonnes d'argon liquide, un fluide super-froid qui sert à la fois de cible et de détecteur. Lorsqu'une particule de matière noire frappe un atome d'argon, elle crée un minuscule flash de lumière. Le défi est que ces éclats sont incroyablement faibles, consistant souvent en seulement quelques photons, et qu'ils surviennent dans un océan de bruit de fond. Pour les voir, l'expérience a besoin d'yeux qui soient non seulement assez sensibles pour capturer un seul photon, mais aussi assez silencieux pour ne pas générer leurs propres faux signaux dans l'obscurité glaciale.

L'expérience DarkSide-20k, actuellement en cours de construction, repose sur un nouveau type de capteur de lumière appelé photomultiplicateur au silicium. Contra�то des tubes à vide traditionnels utilisés dans les expériences plus anciennes, ces capteurs sont des dispositifs à l'état solide fabriqués à partir de silicium, semblables aux puces d'un ordinateur mais conçus pour détecter la lumière. Ils sont choisis pour leur capacité à fonctionner à des températures extrêmement basses et pour leur absence de radioactivité naturelle, ce qui est crucial car toute radiation de fond provenant du capteur lui-même pourrait imiter un signal de matière noire. Cependant, ces capteurs ont dû être perfectionnés pour la tâche. Les premières versions éprouvaient des difficultés dans le froid, générant trop de bruit interne et créant des faux signaux qui étouffaient les faibles murmures de la matière noire. Les chercheurs devaient prouver que la dernière génération de ces capteurs, développée par la Fondazione Bruno Kessler, pouvait fonctionner sans faille dans l'environnement hostile de l'argon liquide.

Pour s'assurer que les capteurs étaient prêts pour les profondeurs souterraines, une équipe de scientifiques a mené une série rigoureuse de tests dans deux laboratoires différents, l'un au Canada et l'autre en Italie. Ils ont refroidi les capteurs jusqu'à 77 Kelvin, une température qui n'est que de 77 degrés au-dessus du zéro absolu, soit la même température que l'azote liquide. Dans cet état de gel, ils ont mesuré le comportement des capteurs lorsqu'ils se trouvaient dans l'obscurité totale. Ils ont compté les impulsions électroniques aléatoires qui se produisent même sans lumière, connues sous le nom de bruit sombre, et ont constaté que les nouveaux capteurs étaient remarquablement silencieux. Le taux de ces faux signaux était suffisamment bas pour que l'expérience puisse distinguer un événement réel du bruit de fond. Ils ont également étudié la réaction des capteurs lorsqu'un photon unique les frappait, en mesurant la charge électrique produite. Cela a permis de calculer le gain du capteur, c'est-à-dire son amplification d'un signal minuscule, et a confirmé que cette amplification augmente de manière prévisible lorsque la tension est augmentée.

Une partie critique des tests consistait à comprendre comment les capteurs pourraient accidentellement se déclencher les uns les autres. Lorsqu'un photon frappe un capteur et crée un signal, il peut parfois libérer un photon secondaire qui vole vers un capteur voisin, provoquant une réaction en chaîne de faux signaux. Les chercheurs ont mesuré ce « crosstalk » (diaphonie) et ont constaté que, bien que cela se produise, les nouveaux capteurs ont été conçus pour le supprimer de manière significative. Ils ont également étudié l'« afterpulsing » (post-impulsion), un phénomène où un capteur s'active à nouveau peu de temps après l'impact initial en raison de charges électriques piégées. La nouvelle conception a réduit cet effet au point qu'il est désormais pratiquement négligeable pour les besoins de l'expérience. Ces résultats ont confirmé que les capteurs ne créeraient pas un désordre confus de fausses alertes dans le détecteur final.

L'équipe a ensuite porté son attention sur la capacité réelle des capteurs à voir la lumière qu'ils sont censés détecter. Dans l'expérience DarkSide-20k, l'argon liquide émet de la lumière dans le spectre ultraviolet, qui est invisible pour les capteurs. Pour rendre cette lumière visible, le réservoir est revêtu d'un produit chimique spécial qui absorbe la lumière ultraviolette et la réémet sous forme de lumière bleue. Les chercheurs ont mesuré l'efficacité des capteurs pour détecter cette lumière bleue sur une large gamme de couleurs. Ils ont constaté que les capteurs sont exceptionnellement doués pour capturer ces photons, avec une efficacité qui culmine à près de 50 pour cent. Cela signifie que pour chaque deux photons de la bonne couleur frappant le capteur, un est détecté et enregistré avec succès. Ils ont également cartographié la façon dont cette efficacité varie selon les longueurs d'onde, confirmant que les capteurs sont parfaitement accordés à la lumière bleue spécifique produite par le revêtement de l'expérience.

Enfin, les scientifiques ont étudié les photons secondaires émis par les capteurs eux-mêmes lors d'une avalanche de charge électrique. Ces photons égarés pourraient voyager à travers l'argon liquide et déclencher d'autres capteurs, créant une forme de diaphonie externe que les modèles informatiques de l'expérience doivent prendre en compte. En projetant un laser sur les capteurs et en capturant la faible lumière qu'ils émettaient avec une caméra sensible, l'équipe a mesuré le spectre et l'intensité de cette lumière secondaire. Ils ont utilisé ces mesures pour prédire combien de ces photons égarés s'échapperaient du capteur et voyageraient à travers l'argon liquide dans le détecteur final. Ces données sont vitales pour construire des simulations informatiques précises de l'expérience, permettant aux physiciens de distinguer un signal réel de matière noire du réseau complexe d'interactions causées par les capteurs eux-mêmes.

Les tests complets décrits dans cet article confirment que les nouveaux capteurs en silicium sont prêts pour le défi. Ils combinent une haute sensibilité avec un faible bruit et une interférence minimale, ce qui les rend idéaux pour l'expérience DarkSide-20k. En prouvant que ces dispositifs peuvent fonctionner de manière fiable dans le froid extrême et détecter avec précision les faibles éclats de lumière provenant des interactions potentielles de la matière noire, les chercheurs ont posé une base solide pour l'une des recherches de matière noire les plus sensibles jamais tentées. Ce travail garantit que, lorsque le détecteur sera pleinement opérationnel, il écoutera avec les oreilles les plus claires possibles, prêt à entendre les secrets les plus profonds de l'univers.