Matière noire - Deuxième

Dans un article récent, je décrivais comment certaines expériences terrées au fond de cavernes souterraines traquent d'hypothétiques particules de matière noire. Ainsi les détecteurs EDELWEISS (Laboratoire Souterrain de Modane en France) et CDMS (Soudan Underground Laboratory aux USA) tentent de mesurer simultanément  les signaux d'ionisation et de chaleur résultant du "choc" élastique de particules de matière noire nommés WIMPS (pour Weakly Interacting Massive Particles) sur des noyaux de germanium. Jusqu'à présent ces techniques de détection n'ont pas permis de mettre en évidence un signal concluant.

Très récemment la collaboration XENON100 (Laboratoire Souterrain du Gran Sasso en Italie) a annoncé ses tout premiers résultats après 100 jours de fonctionnement du détecteur ; résultats négatifs également - aucun signal de matière noire ! XENON100 est une petite merveille d'ingéniosité scientifique qui utilise une centaine de kilogramme de xénon liquide à la fois comme cible pour les WIMPS et comme milieu détecteur. Le xénon présente la particularité d'émettre une lumière de scintillation lorsqu'il est traversé par des particules chargées et de se prêter à la mise en œuvre d'une méthode de mesure de l'ionisation extrêmement précise appelée Projection Temporelle ; celle-ci permet de reconstruire en trois dimensions les traces des électrons d'ionisation. La combinaison de ces techniques - ionisation et scintillation - permet de réduire le bruit de fond de manière drastique et d'obtenir l'identification d'un éventuel signal de manière très propre. XENON100 est le premier élément d'un ensemble plus complexe qui permettra à terme d'atteindre une tonne de milieu détecteur. Avec cette masse et si le bruit de fond est bien maitrisé, cette expérience pourrait bien donner un résultat décisif dans les prochaines années, soit en détectant quelques WIMPS, soit en ne détectant rien du tout, ce qui mettrait à mal les théories sur la matière noire.

Parmi toutes les expériences consacrées à la recherche des WIMPS, l'une d'entre elle obtient un très beau résultat qui à toutes les caractéristiques d'un signal de matière noire. Il s'agit de l'expérience DAMA (DArk MAtter). L'approche est un peu différente de ce qui a été présenté précédemment, DAMA utilise 250 kg de cristaux d'iodure de sodium (NaI) ultra purs. L'iodure de sodium a la propriété d'émettre de la lumière par un mécanisme de scintillation lorsqu'il est traversé par des particules chargées (comme le xénon liquide dans XENON100), la quantité de lumière émise étant proportionnelle à l'énergie déposée dans les cristaux. 

Les autres expériences se basent au moins sur deux signaux complémentaires et indépendants afin de réduire le bruit de fond. DAMA ne disposant que de la mesure de la lumière de scintillation il faut donc trouver une autre façon de caractériser la matière noire. 

Source :
http://www.hep.shef.ac.uk/research/dm/intro.php

L'astuce consiste à utiliser le fait que le système solaire tourne dans la galaxie et passe donc au travers du halo de matière noire qui est supposé baigner la galaxie. Comme illustré par la figure ci-contre, la Terre tournant, elle-même autour du Soleil  va donc sentir un "vent relatif" de matière noire dont la vitesse va dépendre de la période de l'année. En hiver la Terre se déplace en sens inverse du mouvement du Soleil dans la galaxie, alors qu'à la fin du printemps sa vitesse s'ajoute à celle du Soleil. Si la matière noire existe, on s'attend donc à ce que les WIMPS frappent les détecteurs avec une vitesse plus importante juste avant l'été que durant hiver, le signal d'ionisation détecté devrait donc être modulé suivant la période de l'année avec un maximum de signal autour du 2 juin. DAMA a pu accumuler des données sur 13 cycles solaires et, comme illustré par le graphique ci-dessous, voit clairement une modulation du signal parfaitement compatible avec ce qu'on attendrait pour de la matière noire avec notamment un maximum le 2 juin.

Source : http://arxiv.org/abs/1002.1028

Seul "petit" problème ; le signal de WIMPS vu par DAMA est incompatible avec les résultats des autres expériences ! Après avoir écarté toutes les possibilités de biais expérimentaux, la communauté scientifique est maintenant convaincu que DAMA voit bien quelque chose de réel, mais on ne sait toujours pas quoi.

Le résultat présenté par CoGeNT à l'APS

Lors du congrès d'avril de l'American Physics Society, l'expérience américaine CoGeNT qui utilise des détecteurs au germanium, a montré ce qui ressemble fortement à une modulation du signal compatible avec l'observation de DAMA. Le signal n'est pas encore statistiquement significatif, mais ces premières indications relancent la discussion dans le milieu de la physique de la matière noire.

Voici en tout cas l'exemple typique d'un problème scientifique ardu avec des résultats expérimentaux très surprenants  et qui démontre, s'il en était besoin, que lorsqu'on travaille aux frontières de la connaissance il faut être prêt à faire face à quelques surprises et à remettre en cause ce que l'on pense bien établi.