Des chasseurs de la matière noire cherchent de nouveaux indices à l'intérieur des rochers


Dans près de deux Une douzaine de laboratoires souterrains dispersés sur toute la terre, utilisant des cuves de liquide ou des blocs de métal et des semi-conducteurs, les scientifiques recherchent des traces de matière noire. Leurs expériences deviennent de plus en plus compliquées et la recherche de plus en plus précise. Pourtant, mis à part un signal très contesté provenant d'un laboratoire en Italie, personne n'a trouvé de preuve directe du mystérieux matériau qui représenterait 84% du problème. dans l'univers.

Une nouvelle étude suggère que nous devrions regarder plus en profondeur.

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Récit original réimprimé avec l'autorisation de Quanta Magazine, une publication indépendante de la Fondation Simons, éditoriale et indépendante, dont la mission est d'améliorer la compréhension du public par la science en couvrant les développements de la recherche et les tendances en mathématiques, en sciences physiques et en sciences de la vie.

La matière noire est différente de la matière régulière baryonique – la matière qui fait les étoiles, les galaxies, les chiens, les humains et tout le reste – en ce sens qu’elle n’interagit avec rien sauf par la gravité (et peut-être la force nucléaire faible). Nous ne pouvons pas le voir, mais les physiciens sont pratiquement convaincus qu’il est en train de sculpter des galaxies et leur chemin dans le cosmos.

Pendant de nombreuses décennies, les candidats privilégiés pour les particules de matière noire ont été des choses timides hypothétiques appelées particules massives à interaction faible, ou WIMP. De nombreuses expériences les recherchent en cherchant des preuves qu'un programme WIMP est arrivé et a assaini la matière. Dans ce scénario, un WIMP exploiterait un noyau atomique via la force faible. Le noyau effrayé reculerait et émettrait une forme d’énergie, comme un éclair de lumière ou une onde sonore. La détection de tels phénomènes à peine perceptibles nécessite des instruments sensibles, généralement enfouis sous terre. Ceci est principalement dû au fait que les instruments sont protégés des rayons cosmiques égarés, ce qui peut également provoquer un recul des noyaux.

Après avoir cherché ces faibles pings pendant des décennies, les scientifiques n’ont guère de preuves tangibles à démontrer. Maintenant, une équipe de physiciens en Pologne, en Suède et aux États-Unis a une autre idée. Ne vous fiez pas au germanium, au xénon et aux scintillateurs des détecteurs enfouis sous la croûte terrestre, ils expliquent: Regardez à la croûte de la planète elle-même. Dans l’enregistrement de la pierre, où sont enterrés les récits du passé de notre système solaire, nous pourrions trouver le recul fossilisé de noyaux atomiques effrayés, les empreintes gelées d’un WIMP.

«Nous sommes toujours à la recherche de solutions de rechange», a déclaré Katherine Freese, physicienne en théorie à l’Université du Michigan et architecte des idées qui sous-tendent certains des détecteurs existants.

Katherine Freese a développé plusieurs idées pour les détecteurs de matière noire. Certaines de ses idées ont été transformées en expériences.

Un détecteur de paléo souterrain fonctionnerait d'une manière similaire aux méthodes actuelles de détection directe, selon Freese et ses collègues. Au lieu d'équiper un laboratoire avec un grand volume de liquide ou de métal pour observer les reculs de WIMP en temps réel, ils rechercheraient des traces fossiles de WIMP pénétrant dans les noyaux atomiques. En reculant, les noyaux laisseraient des traces de dommages dans certaines classes de minéraux.
Si le noyau recule avec suffisamment de vigueur et si les atomes perturbés sont alors enfouis au plus profond de la Terre (pour protéger l'échantillon des rayons cosmiques susceptibles de brouiller les données), la piste de recul peut alors être conservée. Si tel est le cas, les chercheurs pourront peut-être creuser la roche, détacher des couches de temps et explorer l'événement de longue date à l'aide de techniques sophistiquées de nano-imagerie, telles que la microscopie à force atomique. Le résultat final serait une piste fossile: la contrepartie de la matière noire permettant de retrouver l'empreinte d'un sauropode alors qu'il fuyait un prédateur.

Petits robinets

Il y a environ cinq ans, Freese a commencé à réfléchir à de nouveaux types de détecteurs avec Andrzej Drukier, physicien actuellement à l'université de Stockholm, qui a commencé sa carrière en étudiant la détection de la matière noire avant de passer à la biophysique. Une de leurs idées, conçue avec le biologiste George Church, impliquait des détecteurs de matière noire basés sur des réactions ADN et enzymatiques.

En 2015, Drukier s’est rendu à Novosibirsk, en Russie, pour travailler sur un prototype de détecteur biologique logé sous la surface de la Terre. En Russie, il a appris que des forages avaient été effectués pendant la guerre froide, dont certains atteignaient 12 kilomètres de profondeur. Aucun rayon cosmique ne peut pénétrer aussi loin. Drukier était intrigué.

Les détecteurs de matière noire typiques sont relativement grands et très sensibles aux événements soudains. Ils effectuent des recherches sur plusieurs années, mais recherchent généralement des tap WIMP en temps réel. Les minéraux, bien que relativement petits et moins sensibles aux interactions WIMP, pourraient représenter une recherche qui durerait des centaines de millions d’années.

«Ces morceaux de roche, extraits des noyaux très, très profonds, ont en réalité un milliard d’années», a déclaré Drukier. «Plus tu vas en profondeur, plus c'est vieux. Donc, tout à coup, vous n'avez pas besoin de construire un détecteur. Vous avez un détecteur, dans le sol. "

La terre pose ses propres problèmes. La planète est pleine d'uranium radioactif, qui produit des neutrons lors de sa désintégration. Ces neutrons peuvent également renverser des noyaux. Freese a déclaré que le document initial de l’équipe décrivant les paléo-détecteurs ne rendait pas compte du bruit causé par la désintégration de l’uranium, mais une série de commentaires d’autres scientifiques intéressés les ont incités à revenir en arrière et à les réviser. L'équipe a passé deux mois à étudier des milliers de minéraux pour comprendre ceux qui sont isolés de la désintégration de l'uranium. Ils font valoir que les meilleurs détecteurs de paléo seraient composés d'évaporites marines – essentiellement du sel gemme – ou de roches contenant très peu de silice, appelées roches ultrabasiques. En outre, ils recherchent des minéraux contenant beaucoup d'hydrogène, car l'hydrogène bloque efficacement les neutrons provenant de la désintégration de l'uranium.

La Halite, plus communément appelée sel gemme, est une roche ultrabasique qui pourrait potentiellement être utilisée comme détecteur de matière noire.

La recherche de reculs de fossiles peut être un bon moyen de rechercher des WIMP de faible masse, a déclaré Tracy Slatyer, physicienne théorique du Massachusetts Institute of Technology, qui n’a pas participé à la recherche.

«Vous recherchez un noyau sautant sans raison apparente, mais il doit sauter d'un certain montant pour que vous puissiez le voir. Si je fais rebondir une balle de ping-pong sur une balle de bowling, nous n'allons pas voir la balle de bowling bouger beaucoup – vous feriez mieux de détecter de petits changements dans le mouvement de votre balle de bowling », a-t-elle déclaré. . "C'est une nouvelle façon de faire ça."

L'expérience la plus difficile

Le travail de terrain impliqué ne serait pas facile. La recherche devrait avoir lieu en profondeur, là où les échantillons seraient protégés des rayonnements cosmiques et solaires. Une nano-imagerie ultramoderne serait nécessaire pour résoudre les problèmes de traces de noyaux.
Même si les WIMP laissent une cicatrice observable, la principale préoccupation des paléo-détecteurs sera de s'assurer que les traces de fossiles proviennent réellement de particules de matière noire, a déclaré Slatyer. Les chercheurs devront passer beaucoup de temps à se convaincre que le recul n'est pas l'œuvre de neutrons, ni de neutrinos solaires, ni d'autre chose, a-t-elle déclaré.

«Ils font valoir que vous pouvez aller assez loin pour vous protéger des rayons cosmiques», a-t-elle déclaré, «mais ce n'est pas un système contrôlé. Ce n'est pas un laboratoire. Vous ne connaissez peut-être pas très bien l’histoire de ces dépôts rocheux. Même si vous réclamiez un signal, vous auriez à faire beaucoup plus de travail pour être vraiment convaincu que vous ne voyiez pas d’arrière-plan. »

Drukier et Freese ont tous deux déclaré que la force des paléo-détecteurs réside peut-être dans le nombre. Une roche contient une multitude de minéraux, chacun avec des noyaux atomiques qui pourraient reculer d'un WIMP en maraudage de différentes manières. Différents éléments serviraient donc de détecteurs différents, tous regroupés dans un échantillon principal. Cela permettrait aux expérimentateurs de voir un éventail de reculs, corroborant leurs preuves et potentiellement leur permettant de tirer des conclusions sur la masse de WIMP, a déclaré Freese. À l'avenir, un paléo-détecteur pourrait même fournir un enregistrement WIMP à travers le temps, tout comme les enregistrements de fossiles permettent aux paléontologues de reconstruire l'histoire de la vie sur Terre.

Pour Slatyer, le long disque pourrait offrir une sonde unique du halo de matière noire de la Voie lactée, le nuage de matière invisible traversé par la Terre alors que le système solaire tourne autour de 250 millions d’années autour du centre de la galaxie. Comprendre comment le halo de matière noire de la Voie lactée est distribué pourrait donner un aperçu de son comportement physique, a déclaré Slatyer. Cela pourrait même démontrer si la matière noire interagit avec elle-même d'une manière qui dépasse la gravité.

«C’est un endroit où la théorie et la modélisation sont encore en plein développement», a-t-elle déclaré.

C'est encore loin de la réalité. Selon Freese et Drukier, un paléo-détecteur de principe devrait d'abord démontrer qu'il peut trouver des traces de recul laissées par des particules connues telles que les neutrinos solaires. Ensuite, ils doivent prouver qu'ils peuvent isoler les traces WIMP de ces retours ordinaires.

«C’est un changement de perspective majeur», a déclaré Drukier. «Trouverons-nous de la matière noire? J'ai passé 35 ans à le chercher. Il s’agit probablement de l’expérience la plus difficile au monde et nous n’aurons peut-être pas de chance. Mais c’est cool.

Récit original réimprimé avec l'autorisation de Quanta Magazine, une publication indépendante de la Fondation Simons, éditoriale et indépendante, dont la mission est d'améliorer la compréhension du public par la science en couvrant les développements de la recherche et les tendances en mathématiques, en sciences physiques et en sciences de la vie.


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