Assis à un mile sous terre dans une mine d’or abandonnée du Dakota du Sud se trouve un gigantesque cylindre contenant 10 tonnes de xénon liquide purifié étroitement surveillé par plus de 250 scientifiques du monde entier. Ce réservoir de xénon est le cœur du LUX-ZEPLIN (LZ), une expérience visant à détecter la matière noire, la mystérieuse substance invisible qui constitue 85 % de la matière de l’univers.
« Les gens recherchent la matière noire depuis plus de 30 ans, et personne n’a encore eu de détection convaincante », a déclaré Dan Akerib, professeur de physique des particules et d’astrophysique au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie (DOE). Mais avec l’aide de scientifiques, d’ingénieurs et de chercheurs du monde entier, Akerib et ses collègues ont fait de l’expérience LZ l’un des détecteurs de particules les plus sensibles de la planète.
Pour atteindre ce point, les chercheurs du SLAC se sont appuyés sur leur expertise dans le travail avec les nobles liquides – les formes liquides de gaz nobles tels que le xénon – notamment en faisant progresser les technologies utilisées pour purifier les nobles liquides eux-mêmes et les systèmes de détection des interactions rares de la matière noire dans ces liquides. Et, a déclaré Akerib, ce que les chercheurs ont appris aidera non seulement la recherche de matière noire, mais également d’autres expériences à la recherche de processus de physique des particules rares.
« Ce sont des mystères vraiment profonds de la nature, et cette confluence de la compréhension du très grand et du très petit en même temps est très excitante », a déclaré Akerib. « Il est possible que nous puissions apprendre quelque chose de complètement nouveau sur la nature. »
À la recherche de matière noire profondément sous terre
L’un des principaux candidats actuels pour la matière noire est les particules massives à faible interaction, ou WIMP. Cependant, comme le suggère l’acronyme, les WIMP interagissent à peine avec la matière ordinaire, ce qui les rend très difficiles à détecter, malgré le fait qu’il y en ait théoriquement beaucoup qui nous passent tout le temps.
Pour relever ce défi, l’expérience LZ s’est d’abord enfoncée profondément dans l’ancienne mine d’or Homestake, qui est maintenant le Sanford Underground Research Facility (SURF) à Lead, dans le Dakota du Sud. Là, l’expérience est bien protégée du bombardement constant de rayons cosmiques à la surface de la Terre, une source de bruit de fond qui pourrait rendre difficile la détection de matière noire difficile à trouver.
Même dans ce cas, trouver de la matière noire nécessite un détecteur sensible. Pour cette raison, les scientifiques se tournent vers les gaz nobles, qui sont également notoirement réticents à réagir avec quoi que ce soit. Cela signifie qu’il y a très peu d’options pour ce qui pourrait arriver lorsqu’une particule de matière noire, ou WIMP, interagit avec l’atome d’un gaz rare, et donc moins de chances que les scientifiques manquent une interaction déjà difficile à trouver.
Mais quel noble ? Il s’avère que « le xénon est un noble particulièrement bon pour détecter la matière noire », a déclaré Akerib. La matière noire interagit le plus fortement avec les noyaux, et l’interaction devient encore plus forte avec la masse atomique de l’atome, a expliqué Akerib. Par exemple, les atomes de xénon sont un peu plus de trois fois plus lourds que les atomes d’argon, mais on s’attend à ce qu’ils aient des interactions avec la matière noire plus de dix fois plus fortes.
Un autre avantage : « Une fois que vous aurez purifié d’autres contaminants du xénon liquide, il sera très silencieux par lui-même », a déclaré Akerib. En d’autres termes, il est peu probable que la désintégration radioactive naturelle du xénon empêche la détection des interactions entre les WIMP et les atomes de xénon.
Juste le xénon, s’il te plait
L’astuce, a déclaré Akerib, consiste à obtenir du xénon pur, sans lequel tous les avantages du gaz noble sont sans objet. Cependant, les gaz nobles purifiés ne sont pas facilement disponibles – le fait qu’ils n’interagissent pas avec grand-chose signifie également qu’ils sont généralement assez difficiles à séparer les uns des autres. Et, « malheureusement, vous ne pouvez pas simplement acheter un purificateur standard qui purifiera les gaz nobles », a déclaré Akerib.
Akerib et ses collègues du SLAC ont donc dû trouver un moyen de purifier tout le xénon liquide dont ils avaient besoin pour le détecteur.
Le plus gros contaminant du xénon est le krypton, qui est le deuxième gaz noble le plus léger et possède un isotope radioactif, qui pourrait masquer les interactions que les chercheurs recherchent réellement. Pour empêcher le krypton de devenir la kryptonite du détecteur de particules, Akerib et ses collègues ont passé plusieurs années à perfectionner une technique de purification du xénon en utilisant ce qu’on appelle la chromatographie au charbon de bois. L’idée de base est de séparer les ingrédients d’un mélange en fonction de leurs propriétés chimiques lorsque le mélange est transporté à travers une sorte de milieu. La chromatographie sur charbon de bois utilise de l’hélium comme gaz porteur pour le mélange et du charbon de bois comme milieu de séparation.
« Vous pouvez considérer l’hélium comme une brise régulière à travers le charbon de bois », a expliqué Akerib. « Chaque atome de xénon et de krypton passe une fraction de temps collé sur le charbon de bois et un autre temps non collé. Lorsque les atomes sont dans un état non collé, la brise d’hélium les balaie dans la colonne. » Plus ils sont petits, moins les atomes de gaz nobles sont collants, ce qui signifie que le krypton est un peu moins collant que le xénon, il est donc balayé par la « brise » d’hélium non collante, séparant ainsi le xénon du krypton. Les chercheurs pourraient alors capturer le krypton et le jeter, puis récupérer le xénon, a déclaré Akerib. « Nous avons fait cela pour quelque chose comme 200 bouteilles de gaz xénon – c’était une campagne assez importante. »
L’expérience LZ n’est pas la première expérience que le SLAC a été impliqué dans une tentative de recherche d’une nouvelle physique avec le xénon. L’expérience Enriched Xenon Observatory (EXO-200), qui s’est déroulée de 2011 à 2018, a isolé un isotope spécifique du xénon pour rechercher un processus appelé double désintégration bêta sans neutrinos. Les résultats de l’expérience suggèrent que le processus est incroyablement rare, mais une nouvelle recherche proposée appelée Next EXO (nEXO) poursuivra la recherche en utilisant un détecteur similaire à celui de LZ.
Un autre type de réseau électrique
Quel que soit le liquide noble qui remplit le détecteur, un système de détection sophistiqué est crucial si les scientifiques espèrent un jour trouver quelque chose comme la matière noire. Au-dessus et au-dessous de la tour de xénon liquide pour l’expérience LZ se trouvent de grandes grilles à haute tension qui créent des champs électriques dans le détecteur. Si une particule de matière noire entre en collision avec un atome de xénon et fait tomber quelques électrons, elle libérera certains électrons de l’atome et créera séparément un éclat de lumière qui peut être détecté par des photodétecteurs, a expliqué Ryan Linehan, un récent doctorat. diplômé du groupe LZ du SLAC qui a participé au développement des réseaux à haute tension. Les champs électriques traversant le détecteur entraînent ensuite les électrons libres dans une fine couche de gaz au sommet du cylindre où ils créent un deuxième signal lumineux. « Nous pouvons utiliser ce deuxième signal avec le signal d’origine pour apprendre beaucoup d’informations sur la position, l’énergie, le type de particules, etc. », a déclaré Linehan.
Mais ce ne sont pas vos réseaux électriques moyens – ils transportent des dizaines de milliers de volts, si élevés que tout morceau microscopique de poussière ou de débris sur le réseau métallique peut provoquer des réactions spontanées qui arrachent des électrons du fil lui-même, a déclaré Linehan. « Et ces électrons peuvent créer des signaux qui ressemblent exactement aux électrons provenant du xénon », masquant ainsi les signaux qu’ils tentent de détecter.
Les chercheurs ont proposé deux moyens principaux de minimiser les risques d’obtenir de faux signaux des réseaux, a déclaré Linehan. Tout d’abord, l’équipe a utilisé un processus chimique appelé passivation pour éliminer le fer de la surface des fils de la grille, laissant une surface riche en chrome qui réduit la tendance du fil à émettre des électrons. Deuxièmement, pour éliminer toutes les particules de poussière, les chercheurs ont soigneusement et très soigneusement pulvérisé les grilles avec de l’eau déminéralisée juste avant l’installation. « Ces processus ensemble nous ont aidés à amener les grilles dans un état où nous pouvions réellement obtenir des données claires », a-t-il déclaré.
L’équipe LZ a publié ses premiers résultats en ligne début juillet, après avoir poussé la recherche de la matière noire plus loin que jamais auparavant.
Linehan et Akerib se sont dits impressionnés par ce que la collaboration mondiale de LZ a pu accomplir. « Ensemble, nous apprenons quelque chose de fondamental sur l’univers et la nature de la matière », a déclaré Akerib. « Et nous ne faisons que commencer. »
L’effort LZ au SLAC est dirigé par Akerib, avec Maria Elena Monzani, scientifique principale au SLAC et directrice adjointe des opérations de LZ pour l’informatique et les logiciels, et Thomas Shutt, qui était le porte-parole fondateur de la collaboration LZ.