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Apollo, conquête spatiale et apports scientifiques

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Une demi-vie qui dépasse l'âge de l'univers

Construit 1500 m sous le sol italien, le Laboratoire National de San Grasso (LNSG) accueille le détecteur XENON1T, résultat de la collaboration internationale de plus de 160 chercheurs venus d'Europe, des États-Unis et du Moyen Orient. Le 29 avril 2019, ils annonçaient l'observation de la désintégration du xénon 124.

A la recherche de la matière noire

Construit à partir de 2012, le détecteur XENON1T a commencé ses mesures dès 2016. Aujourd'hui, alors qu'il est démonté pour permettre la construction de son successeur, les chercheurs traitent encore les données qu'il a récoltées. Ce détecteur est assigné à la recherche directe et à l'observation de la matière noire. « Il y cinq à six fois plus de matière noire dans l’Univers que de matière ordinaire. L’estimation de la quantité de la matière noire se fait avec les modèles théoriques comme celui du Big Bang. Tous les modèles supposent la présence de matière noire » explique Dominique Thers, chef d'équipe du groupe XENON du laboratoire Subatech. Pourtant, elle n'a jamais été observée directement. On suppose qu'elle est composée de particules neutres et insensibles aux forces électromagnétiques car elle n'émet pas de lumière. « Les modèles théoriques les plus probables sont ceux qui décrivent la matière noire constituée de particules élémentaires lourdes et lentes, nouvelles et encore inconnues » ajoute le chercheur. « Les chercheurs tentent d’observer la matière noire depuis plus de deux générations déjà, sans succès. Elle interagit très faiblement avec la matière ordinaire, donc il faut construire des expériences de plus en plus grandes et de plus en plus silencieuses et sensibles pour pouvoir l'observer ».

Un détecteur ultra-sensible

Du fait de ces interactions très faibles, le détecteur doit également être le plus isolé possible des bruits. Il est donc enfoui sous terre pour limiter l'impact de la radioactivité et c'est le xénon qui est utilisé, un gaz noble qui est très peu réactif. Cela fait de lui le détecteur le plus sensible au monde.

Selon les modèles théoriques, la matière noire ne devrait que très rarement entrer en contact avec les atomes de xénon du détecteur. Celui-ci, cylindrique, mesure un mètre de long et contient près de 3500 kg de xénon liquide à -95°C. « Le détecteur est conçu comme un oignon : plus on va au coeur du détecteur plus l’appareil est fiable et efficace. Au centre se trouve une tonne de xénon, celle qui détecte la matière noire. Deux tonnes de xénon viennent ensuite blinder le détecteur pour l’isoler des bruits » nous apprend Julien Masbou enseignant chercheur au Laboratoire de Physique Subatomique et des Technologies Associées. Lorsqu'un atome de xénon rencontre une particule de matière noire, celle-ci transfère de l'énergie au noyau de l'atome qui excite à son tour d'autres atomes de xénon. Ce mécanisme produit in fine des courants électriques et aussi l'émission de rayonnement UV. Ces rayonnements sont ensuite détectés par des photodétecteurs placés aux extrémités de la zone active.

Des mesures complexes

XENON1T est aussi capable de mesurer la double capture électronique, permettant de calculer la désintégration du xénon 124. « La double capture électronique n’était pas le but de l’expérience, c’est une découverte due au hasard » commente Julien Masbou. Ce phénomène est très difficile à détecter car il st masqué par la radioactivité ambiante mais aussi parce que « la désintégration du xénon 124 est un processus très faible en amplitude et en intensité, et donc difficilement observable » explique Dominique Thers. Le principe est le suivant : deux protons du noyau de xénon capturent simultanément deux électrons de la couche électronique la plus interne. Ils se transforment en neutrons et deux neutrinos sont émis. Les électrons de la couche prélevée se réarrangent. Le processus émet des rayons X, détectables. C'est grâce à ce mécanisme que les chercheurs ont pu déterminer la demi-vie du xénon qui est de 1,8.10²² ans, soit mille milliard de fois plus grande que celle de notre univers.

La détection de cette double capture électronique confirme la puissance de ce détecteur. La matière noire n'a pas encore été détectée, mais les scientifiques sont optimistes quand à l'observation directe de celle-ci, car le détecteur a fait ses preuves. « Nous n’avons pas observé la matière noire mais la découverte de la double capture électronique montre bien que notre instrument fonctionne » se félicite Julien Masbou. Selon Dominique Thers, « on observe déjà indirectement la matière noire grâce aux courbes de rotation des étoiles dans les galaxies, aux microlentilles gravitationnelles ou aux rayonnements cosmologiques. Il y a beaucoup d’observations à différentes échelles qui justifient la présence de matière noire ». Grâce aux informations fournies par le détecteur XENON1T, les chercheurs pourront également étudier plus en détail la nature des neutrinos.

Ils traqueront les doubles captures électronique sans neutrino pour mieux les étudier. Une autre phase de recherche, XENONnT, verra bientôt le jour après la mise à niveau actuelle de l'équipement. « XENONnT sera plus sensible, avec un total de cinq tonnes de xénon contre trois pour XENON1T, c’est la plus importante expérience utilisant du xénon pour détecter de la matière noire » selon Julien Masbou. Cela devrait permettre de gagner un ordre de grandeur et augmenter les chances de détecter de la matière noire, cette « quête de l’extrême » conclut Dominique Thers.

 

En savoir plus :

L'article original :https://www.nature.com/articles/s41586-019-1124-4

Le site de SubaTech : http://www-subatech.in2p3.fr/fr/recherche/nucleaire-et-sante/xenon/recherche/fondamentales/xenon1t

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Chiens policiers, mieux piéger les odeurs
L'odorologie canine, développé par la police scientifique a récemment trouvé une application à la détection de cancers.

L'odorat et les chiens

Les sens chimiques de l'odorat et du goût renseignent sur la nourriture et les odeurs corporelles des êtres vivants qui nous entourent. En ce qui concerne l'olfaction, les molécules amenées par le mouvement inspiratoire à l'état gazeux stimulent par leur interaction les cellules nerveuses réceptrices de la muqueuse olfactive. Un neurone relié à un récepteur est spécifique, mais l'important est que la reconnaissance des odeurs par les récepteurs olfactifs se fait par combinaison, ce qui permet de différencier une grande quantité de produits.

Abrités dans 200 cm² de muqueuse olfactive, le nez des chiens est doté de 300 millions de récepteurs d'odeurs, contre 5 millions pour les êtres humains. Pour prendre un autre chiffre, l'odorat du·chien est 1 million de fois plus sensible que celui de l'être humain. Ainsi, un chien· renifleur est en mesure de reconnaître l'odeur d'une personne dans jusqu'à 90% des cas. Le pourcentage restant n'est pas dû à une défaillance de l'odorat, plutôt à la qualité olfactive des prélèvements.

Chaque individu possède une empreinte olfactive unique, qui se répand partout où il passe. Cette signature est constituée de plusieurs centaines de composés organiques volatils, dont la nature et les quantités sont déterminées génétiquement parmi un nombre quasi infini de possibilités. L'odeur humaine comprend aussi une composante secondaire, induite par notre fonctionnement biologique comme le régime alimentaire ou le niveau de stress, ainsi qu'une composante tertiaire, qui résulte d'apports extérieurs et de notre environnement. Au-delà de la détection des odeurs, l'odorat fin des chiens leur permet de discriminer ces différentes composantes et de reconnaître un individu, y compris entre deux vrais jumeaux avec les mêmes conditions de vie.

Les sciences de l'odorologie

Comme les empreintes digitales ou l'ADN, les odeurs peuvent alors servir à identifier des suspects pour la police scientifique. L'odorologie consiste à capter des traces odorantes, à l’aide de tissus spéciaux enduits de paraffine, puis à les comparer à celles prélevées sur un·e suspect·e grâce à des chiens spécialement formés à cette tâche. Depuis 2003, cette science a été utilisée dans plus de 520 affaires en France et a permis environ 160 identifications.

Pour améliorer l'efficacité de cette technique, des chimistes et des mathématiciens toulousains ont développé un outil biométrique sous la forme d'un piège à molécule, appelé aussi « éponge moléculaire ». Constitué d’huiles végétales auxquelles une substance gélifiante a été ajoutée, un réseau de cristaux de sucre crée de la porosité. Les molécules odorantes se fixent sur les parois de ce réseau et se solubilisent dans le gel. Pour une pastille de la taille d’une pièce de monnaie de ce gel organique microporeux, la surface de contact avoisine les 200 m2, soit autant qu’un court de tennis.

Dans le cadre du projet CNRS Recherche Attentat, mis en place après les attaques terroristes du 13 novembre 2015, cette étude vise aussi à déterminer la composition exacte des molécules odorantes piégées avec un spectromètre de masse. Les algorithmes élaborés permettront de remplacer les chiens dans l'identification des odeurs primaires, voire même de caractériser les composantes secondaires et tertiaires de l’odeur humaine. Cette technique aurait le double avantage de produire des éléments de preuve convaincants pour les magistrats, tout en fournissant des informations comme l’état de santé ou des éléments de l’environnement d’un suspect.

L'odorologie canine peut aussi trouver des applications en médecine, comme le montre le programme de recherche Kdog de l’Institut Curie. Sur 130 prélèvements, des lingettes imbibées de sueur, 100% des 79 femmes à qui venait d’être diagnostiqué un cancer du sein et qui n’avaient pas encore démarré de traitement ont été identifiées. Montrer que les cancers du sein ont une odeur commune est déjà un résultat, que des chiens bien entraînés réussissent à discriminer les composés volatils émis en est un autre. Ce premier test sera suivi d’un essai de plus grande envergure, sur mille femmes. Même si ce type de diagnostic canin de première intention devra toujours être confirmé par des moyens plus conventionnels, en attendant des moyens plus directs, les chiens pourraient être utiles au dépistage dans des zones ou des pays dans lesquels une mammographie est difficile à réaliser.

En savoir plus

Site de l'IMRPC, laboratoire des Interactions Moléculaires et Réactivité Chimique et Photochimique, ainsi que la page sur ce sujet de recherche

Site du projet KDOG

Arthur Jeannot
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