Un dépôt d’argon presque pur laissé intact depuis la formation de la Terre est sur le point d’aider les physiciens à mieux comprendre l’univers.
Le projet Urania, dirigé par Andrew Renshaw, professeur agrégé de physique à l’Université de Houston au Collège des sciences naturelles et des mathématiques, supervisera l’installation et la mise en service d’une structure à l’échelle industrielle dans le sud-ouest du Colorado. Au même moment, en Sardaigne, en Italie, des chercheurs concevront et construiront une usine de transformation spécialisée qui sera expédiée au Colorado.
À l’intérieur de l’installation combinée – l’usine de traitement construite en Italie et la structure extérieure construite sur place par le projet Urania (du nom de la muse grecque de l’astronomie) – l’argon sera extrait, purifié et expédié au Laboratorio Nazionale Gran Sasso (LNGS) en Italie. Là, il sera utilisé dans la recherche de réponses à certaines des plus grandes énigmes que l’univers présente.
Mais avant que l’équipe puisse regarder vers l’extérieur parmi les étoiles, elle doit d’abord pénétrer profondément à l’intérieur de la Terre.
Pour être précis : ils doivent veiller à l’extraction et au traitement du gaz argon trouvé dans un site de forage de gaz naturel du sud-ouest du Colorado exploité par Kinder Morgan, une société de forage et de pipeline basée à Houston.
« Notre installation existera en tant que fonction parallèle à l’installation Doe Canyon de Kinder Morgan, qui extrait déjà du CO2 (dioxyde de carbone) du manteau terrestre dans le cadre de son extraction de gaz naturel », a déclaré Renshaw.
« Ce flux de CO2 provenant de ces puits souterrains profonds de Kinder Morgan contient une petite quantité d’argon à faible radioactivité, qui devient un sous-produit de leur production de gaz naturel, mais est un outil que nous pouvons utiliser. C’est intéressant parce que le faible l’argon radioactif peut être un atout majeur pour nos recherches, car c’est un élément très agréable à utiliser à l’intérieur d’un détecteur de particules à faible bruit de fond. »
En fin de compte, l’argon est séparé du dioxyde de carbone sur le site de Kinder Morgan, puis expédié dans des bouteilles à haute pression spécialement conçues pour ce projet, en Sardaigne, où il sera traité plus avant puis finalement expédié au LNGS pour être inséré dans le détecteur souterrain, appelé DarkSide‑20k.
« Une fois l’argon liquéfié, il peut être utilisé sur le site de recherche du LNGS pour détecter les particules en fonction de leur interaction avec l’argon liquide », a déclaré Renshaw. Grâce à ces études, l’équipe espère rassembler des preuves de la matière noire de l’univers et acquérir la capacité de détecter les neutrinos provenant de sources astrophysiques.
L’argon (en abrégé Ar) – incolore, inodore, insipide – est répertorié à l’extrême droite du tableau périodique avec les cinq autres «gaz nobles» (ce qui signifie qu’ils sont inertes ou presque chimiquement non réactifs). Étant l’un des éléments les plus courants de la Terre, l’argon se trouve presque partout. Les scientifiques peuvent le récolter facilement dans l’atmosphère.
Alors pourquoi cet argon spécifique au Colorado est-il si important pour le projet Urania et l’expérience DarkSide‑20k en Italie ?
« Parce que c’est presque 100% argon-40, ayant été protégé profondément sous terre depuis la formation de la Terre », a expliqué Renshaw.
« Au cours de la même période, l’argon de l’atmosphère a été constamment bombardé par des rayons cosmiques, le chargeant d’argon-39, qui se désintègre ensuite par émission bêta et peut obscurcir les signaux du détecteur de particules DarkSide‑20k. Cela signifie que l’argon extrait de profondément sous terre dans le Colorado permettra à DarkSide‑20k d’être rempli d’argon-40 pur à près de 100 %, ce qui réduira considérablement le taux de fond global du détecteur et permettra de réaliser de nombreuses études de sensibilité. »
Ce que les chercheurs espèrent révéler avec le détecteur de particules DarkSide‑20k (qui devrait fonctionner pendant une décennie, à partir de 2025), ce sont des signes de matière noire dans l’univers : ce qu’elle est, comment elle se comporte et pourquoi elle existe. En d’autres termes, ils espèrent apporter la lumière sur l’un des mystères les plus sombres du cosmos.