Crédit d'image: Fermilab
Avec les premières données de leur observatoire souterrain dans le nord du Minnesota, les scientifiques de la Cryogenic Dark Matter Search ont scruté avec une plus grande sensibilité que jamais dans le domaine présumé du WIMPS. L'observation de particules massives à interaction faible pourrait résoudre le double mystère de la matière noire à l'échelle cosmique et de la supersymétrie à l'échelle subatomique.
Le résultat du CDMS II, décrit dans un document soumis à Physical Review Letters, montre avec une certitude à 90% que le taux d'interaction d'un WIMP avec une masse de 60 GeV doit être inférieur à 4 x 10-43 cm2 ou environ une interaction tous les 25 jours par kilogramme de germanium, le matériau dans le détecteur de l'expérience. Ce résultat en dit plus aux chercheurs que jamais auparavant sur WIMPS, s'ils existent. Les mesures des détecteurs CDMS II sont au moins quatre fois plus sensibles que la meilleure mesure précédente offerte par l'expérience EDELWEISS, une expérience souterraine européenne près de Grenoble, en France.
"Pensez à cette sensibilité améliorée comme un nouveau télescope avec deux fois le diamètre et donc quatre fois la collection de lumière de tous ceux qui l'ont précédé", a déclaré le porte-parole du CDMS II Blas Cabrera de l'Université de Stanford. «Nous sommes maintenant en mesure de rechercher un signal qui est juste un quart aussi brillant que celui que nous avons vu auparavant. Au cours des prochaines années, nous prévoyons d'améliorer notre sensibilité d'un facteur 20 ou plus. »
Les résultats sont présentés à la réunion d'avril de l'American Physical Society les 3 et 4 mai à Denver par Harry Nelson et l'étudiant diplômé Joel Sanders, tous deux de l'Université de Californie à Santa Barbara, et par Gensheng Wang et Sharmila Kamat de Case Western Université de réserve.
«Nous savons que ni notre modèle standard de physique des particules ni notre modèle du cosmos n'est complet», a déclaré le porte-parole du CDMS II Bernard Sadoulet de l'Université de Californie à Berkeley. «Cette pièce manquante particulière semble correspondre aux deux puzzles. Nous voyons la même forme dans deux directions différentes. »
Les WIMP, sans frais, sont une étude en contradiction. Alors que les physiciens s'attendent à ce qu'ils aient environ 100 fois la masse de protons, leur nature fantomatique leur permet de glisser à travers la matière ordinaire en laissant à peine une trace. Le terme «faiblement interagissant» ne fait pas référence à la quantité d'énergie déposée lorsqu'ils interagissent avec la matière normale, mais plutôt au fait qu'ils interagissent extrêmement rarement. En fait, jusqu'à cent milliards de WIMP peuvent avoir traversé votre corps pendant que vous lisez ces premières phrases.
Avec 48 scientifiques de 13 institutions, plus 28 autres ingénieurs, techniciens et administratifs, CDMS II fonctionne avec un financement du Bureau des sciences du Département américain de l'énergie, des divisions d'astronomie et de physique de la National Science Foundation et des institutions membres. Le Laboratoire national d’accélérateurs Fermi du DOE assure la gestion de projet pour CDMS II.
"La nature de la matière noire est fondamentale pour notre compréhension de la formation et de l'évolution de l'univers", a déclaré le Dr Raymond L. Orbach, directeur du Bureau des sciences du DOE. "Cette expérience n'aurait pas pu réussir sans la collaboration active du Bureau des sciences du DOE et de la National Science Foundation."
Michael Turner, directeur adjoint pour les mathématiques et les sciences physiques à la NSF, a décrit l'identification du constituant de la matière noire comme l'un des grands défis à la fois en astrophysique et en physique des particules.
"La matière noire rassemble toutes les structures de l'univers - y compris notre propre Voie lactée - et nous ne savons toujours pas de quoi est faite la matière noire", a déclaré Turner. «L'hypothèse de travail est qu'il s'agit d'une nouvelle forme de matière qui, si elle est correcte, éclairera le fonctionnement interne des forces élémentaires et des particules. En cherchant la solution à cet important casse-tête, CDMS est désormais en tête du peloton, avec un autre facteur de sensibilité de 20 à venir. »
La matière noire dans l'univers est détectée par ses effets gravitationnels à toutes les échelles cosmiques, de la croissance de la structure dans le premier univers à la stabilité des galaxies aujourd'hui. Les données cosmologiques provenant de nombreuses sources confirment que cette matière noire invisible totalise plus de sept fois la quantité de matière visible ordinaire formant les étoiles, les planètes et d'autres objets dans l'univers.
"Quelque chose là-bas a formé les galaxies et les maintient ensemble aujourd'hui, et il n'émet ni n'absorbe de lumière", a déclaré Cabrera. "La masse des étoiles dans une galaxie ne représente que 10 pour cent de la masse de toute la galaxie, donc les étoiles sont comme des lumières d'arbre de Noël décorant le salon d'une grande maison sombre."
Les physiciens pensent également que les WIMP pourraient être des particules subatomiques encore non observées appelées neutrinos. Celles-ci constitueraient des preuves de la théorie de la supersymétrie, introduisant une nouvelle physique intrigante au-delà du modèle standard actuel des particules et forces fondamentales.
La supersymétrie prédit que chaque particule connue a un partenaire supersymétrique aux propriétés complémentaires, bien qu'aucun de ces partenaires n'ait encore été observé. Cependant, de nombreux modèles de supersymétrie prédisent que la particule supersymétrique la plus légère, appelée neutrino, a une masse environ 100 fois supérieure à celle du proton.
"Les théoriciens ont trouvé tous ces soi-disant" partenaires supersymétriques "des particules connues pour expliquer les problèmes sur les plus petites échelles de distance", a déclaré Dan Akerib de Case Western Reserve University. "Dans l'une de ces connexions fascinantes des très grands et des très petits, le plus léger de ces superpartenaires pourrait être la pièce manquante du puzzle pour expliquer ce que nous observons sur les plus grandes échelles de distance."
L'équipe du CDMS II pratique «l'astronomie souterraine», avec des détecteurs de particules situés à près d'un demi-mille sous la surface de la terre dans une ancienne mine de fer à Soudan, au Minnesota. Les 2341 pieds de la croûte terrestre protègent des rayons cosmiques et des particules de fond qu’ils produisent. Les détecteurs sont constitués de germanium et de silicium, des cristaux semi-conducteurs aux propriétés similaires. Les détecteurs sont refroidis au dixième de degré près du zéro absolu, si froids que le mouvement moléculaire devient négligeable. Les détecteurs mesurent simultanément la charge et les vibrations produites par les interactions des particules à l'intérieur des cristaux. WIMPS signalera leur présence en libérant moins de charge que les autres particules pour la même quantité de vibrations.
"Nos détecteurs agissent comme un télescope équipé de filtres qui permettent aux astronomes de distinguer une couleur de la lumière d'une autre", a déclaré Dan Bauer, directeur du projet CDMS II du Fermilab. "Seulement, dans notre cas, nous essayons de filtrer les particules conventionnelles en faveur des WIMPS de matière noire."
Le physicien Earl Peterson de l’Université du Minnesota supervise le Soudan Underground Laboratory, qui abrite également l’expérience de longue durée des neutrinos du Fermilab, la recherche sur les oscillations des neutrinos du principal injecteur.
"Je suis enthousiasmé par le nouveau résultat significatif de CDMS II, et je félicite la collaboration", a déclaré Peterson. «Je suis ravi que les installations du Laboratoire du Soudan aient contribué au succès du CDMS II. Et je suis particulièrement heureux que le travail du Fermilab et de l’Université du Minnesota dans l’agrandissement du Laboratoire du Soudan ait abouti à une superbe nouvelle physique.
Alors que le CDSMII recherche des WIMP au cours des prochaines années, soit la matière noire de notre univers sera découverte, soit une large gamme de modèles supersymétriques sera exclue de la possibilité. Quoi qu'il en soit, l'expérience CDMS II jouera un rôle majeur dans l'avancement de notre compréhension de la physique des particules et du cosmos.
Les institutions collaboratrices du CDMS II comprennent la Brown University, la Case Western Reserve University, le Fermi National Accelerator Laboratory, le Lawrence Berkeley National Laboratory, les National Institutes of Standards and Technology, la Princeton University, la Santa Clara University, la Stanford University, la University of California-Berkeley, la Université de Californie-Santa Barbara, Université du Colorado à Denver, Université de Floride et Université du Minnesota.
Fermilab est un laboratoire national du DOE Office of Science exploité sous contrat par Universities Research Association, Inc.
Source d'origine: Communiqué de presse du Fermilab
