The PICO-40L detector

Depuis des décennies, les astronomes savent que l'univers est rempli de quelque chose d'invisible. Nous ne pouvons pas le voir, et il ne brille pas, pourtant sa gravité maintient les galaxies ensemble et façonne le cosmos. Cette substance invisible est appelée matière noire. Bien que nous sachions qu'elle existe, nous ignorons de quoi elle est composée. Une théorie de premier plan suggère qu'elle est constituée de particules massives qui interagissent rarement avec la matière normale, connues sous le nom de WIMPs (particules massives interagissant faiblement). Si ces particules existent, elles devraient occasionnellement heurter les noyaux d'atomes dans un détecteur sur Terre, créant ainsi un minuscule flash d'énergie. Le défi est que ces collisions sont incroyablement rares et produisent des signaux si faibles qu'ils sont facilement noyés par le bruit de fond naturel, tel que le rayonnement provenant des roches ou des rayons cosmiques. Pour les trouver, les scientifiques doivent construire des détecteurs profondément sous terre, protégés par des kilomètres de roche, et utiliser des matériaux si purs qu'ils n'émettent pas leur propre rayonnement.

Une équipe de chercheurs connue sous le nom de Collaboration PICO a construit un nouveau détecteur pour traquer ces particules insaisissables, et elle a publié un rapport détaillé sur sa conception et ses premières performances. Le détecteur, appelé PICO-40L, est une grande chambre à bulles située à deux kilomètres sous terre, dans une mine de Sudbury, au Canada. Contrairement aux détecteurs traditionnels qui utilisent des cristaux solides ou des réservoirs liquides, cette machine utilise un liquide spécial appelé octafluoropropane, qui est maintenu dans un état où il est prêt à bouillir mais retenu par la pression. Lorsqu'une particule frappe un atome dans ce liquide, elle dépose une infime quantité d'énergie, provoquant la formation instantanée d'une petite bulle. La machine est conçue pour être si sensible qu'elle peut détecter le minuscule dépôt d'énergie d'une collision de matière noire, tout en ignorant les dépôts d'énergie beaucoup plus importants provenant d'autres types de radiations qui ne créent pas de bulles.

Le détecteur PICO-40L représente une évolution significative dans la manière dont ces chambres à bulles sont construites. Les versions précédentes de l'expérience utilisaient une conception où le liquide cible reposait sur un fluide tampon, séparé par un récipient unique. Cette configuration plus ancienne créait une frontière entre deux liquides différents, ce qui pouvait parfois générer des faux signaux. Le nouveau PICO-40L utilise un agencement totalement différent, que l'équipe appelle la conception « Right-Side-Up » (à l'endroit). Dans cette configuration, le liquide cible est contenu à l'intérieur d'un récipient en verre à double paroi qui repose au fond de la chambre, le système de pression étant situé en dessous plutôt qu'au-dessus. Ce changement supprime l'interface entre deux fluides et déplace les composants mécaniques susceptibles de créer du bruit vers une zone plus froide et inactive. Le résultat est un environnement plus propre où le détecteur est moins susceptible d'être trompé par le bruit de fond.

Pour que le détecteur fonctionne correctement, l'équipe a dû résoudre un problème thermique difficile. Le liquide à l'intérieur de la chambre doit être maintenu à deux températures différentes en même temps. Le volume principal où la recherche de la matière noire a lieu doit être maintenu assez chaud pour être prêt à former des bulles, typiquement autour de treize degrés Celsius. Cependant, la partie inférieure du récipient, où se trouvent les tuyaux et les joints mécaniques, doit être maintenue beaucoup plus froide, autour de moins vingt-deux degrés Celsius. Si le bas devient trop chaud, le liquide à cet endroit pourrait commencer à bouillir de lui-même, créant des bulles qui ressemblent à des signaux de matière noire mais qui ne sont en réalité que du bruit thermique. Les chercheurs ont construit un système complexe de serpentins de refroidissement et de plaques chauffantes pour maintenir ces deux zones de température distinctes, garantissant que les bulles ne se forment que dans la zone active où les caméras peuvent les voir.

Le détecteur est équipé d'un système sophistiqué pour surveiller ces bulles. Quatre caméras haute vitesse sont montées autour de la chambre, prenant des photos du liquide sous différents angles. Lorsqu'une bulle se forme, les caméras capturent sa croissance, permettant aux scientifiques de calculer exactement où elle s'est produite et quelle taille elle a prise. Parallèlement aux caméras, la machine utilise douze microphones minuscules, appelés transducteurs piézoélectriques, pressés contre l'extérieur du récipient en verre. Ces microphones écoutent le son de la formation de la bulle. Différents types de particules créent des signatures acoustiques distinctes ; par exemple, les particules alpha, qui sont une source courante de bruit de fond, produisent une signature acoustique différente du petit « pop » d'un candidat à la matière noire. En combinant les données visuelles des caméras avec les données sonores des microphones, l'équipe peut distinguer un signal réel d'une fausse alerte.

Les chercheurs ont testé le détecteur lors de deux phases principales. D'abord, ils ont effectué un test de calibration en utilisant une source de neutrons pour simuler le type de collisions qu'ils espèrent trouver. Plus tard, ils ont mené une longue période de mise en service sans source externe, attendant simplement de voir ce qui se passerait naturellement. Lors de ces tests, le détecteur a fonctionné de manière stable, distinguant avec succès les bulles uniques dans le liquide des événements indésirables comme la formation de bulles sur les parois du récipient ou la formation de bulles multiples simultanément. L'équipe a constaté que la nouvelle conception supprimait efficacement le bruit de fond qui avait affligé les versions précédentes. Ils ont calculé que le détecteur devrait observer très peu de faux signaux provenant de la radioactivité naturelle ou des rayons cosmiques, le principal bruit de fond restant devant provenir d'une interaction rare impliquant des neutrinos, des particules subatomiques qu'il est presque impossible de protéger.

Bien que le détecteur n'ait pas encore trouvé de particule de matière noire, l'article confirme que la nouvelle conception fonctionne comme prévu. Le PICO-40L a démontré avec succès que la géométrie « Right-Side-Up » peut fonctionner de manière fiable, maintenant le fluide cible surchauffé au centre tout en gardant la plomberie froide et silencieuse. Ce succès ouvre la voie à la prochaine génération de l'expérience, un détecteur beaucoup plus grand nommé PICO-500, qui est actuellement en cours de construction. En prouvant que cette nouvelle conception peut gérer la sensibilité extrême requise pour la traque de la matière noire, la Collaboration PICO a franchi un obstacle majeur dans la recherche de la substance invisible qui constitue la majeure partie de la matière de notre univers.