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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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Le plongeon final de Cassini
En orbite depuis 2004 autour de Saturne, la sonde Cassini effectue une lente descente en direction de sa surface avant de se désintégrer en septembre 2017.

Une mission riche en enseignements

Afin de mieux connaître Saturne et ses satellites, la sonde spatiale Cassini a quitté la Terre en octobre 1997. Parvenue à destination en 2004, elle s'est mise en orbite autour de la planète gazeuse, dont elle a étudié l'atmosphère, la magnétosphère, les anneaux et les satellites. Quelques mois après, elle a libéré la sonde Huygens, qui est descendue sur Titan en fournissant des informations sur l'atmosphère et le sol de la plus grosse des lunes de Saturne.

En treize ans, la sonde Cassini a fourni de nombreux résultats scientifiques, tels que la découverte des geysers d’Encelade, l'identification de plus de soixante lunes – y compris à l’intérieur des anneaux – ou l'observation d'un vortex à six tourbillons situé au pôle nord de la planète. Cassini devait clore son voyage en 2008, mais, devant ces succès, la mission a été prolongée.

Dans les nuages de Saturne

Le 22 avril 2017, Cassini a effectué son cent vingt-septième et dernier survol rapproché de Titan, subissant une accélération qui a amorcé la manœuvre suivante. Le 26 avril, en effet, la sonde a effectué à une vitesse de cent vingt-quatre mille kilomètres par heure un plongeon entre Saturne et ses anneaux, s’enfonçant dans l’épaisse enveloppe gazeuse de la planète. Dans cet espace encore inexploré, la grande antenne radio de la sonde a été pointée vers l’avant en guise de bouclier face à d'éventuelles collisions avec des poussières, ce qui l'a empêchée de communiquer avec la Nasa durant ce laps de temps.

Lorsque Cassini a repris contact avec la Terre, elle a transmis les cent seize images collectées lors du survol, des images brutes de la planète prises à une distance de seulement trois mille kilomètres. C’est la première fois qu’un engin spatial s’aventure si près de la planète gazeuse. Le deuxième des vingt-deux survols rapprochés de Saturne a eu lieu le 2 mai. La sonde passera à deux mille kilomètres de la surface de référence de Saturne, avant de se désintégrer sur Saturne en septembre 2017, soit un mois pile avant ses vingt ans.

Le grand final

Choisir la désintégration dans la haute atmosphère de Saturne comme fin de mission permet d'éviter de polluer Encelade et Titan, deux lunes de Saturne qui pourraient contenir de l’eau liquide sous leur surface gelée. En plus de cette démarche de protection planétaire, cette étape final permettra au vaisseau de faire des mesures scientifiques qui auraient autrement été impossibles.

Les mesures du champ de gravité autour de la planète renseigneront sur sa structure interne, tandis que les mesures de la masse des anneaux permettront de déduire leur âge. Dans les deux cas, les résultats obtenus grâce à la sonde seront confrontés aux modèles établis par les astrophysicien·ne·s, de manière à les affiner, les valider ou les remettre en question. Enfin, mesurer le champ magnétique de Saturne conduira à calculer plus précisément la rotation de la planète.

En savoir plus

Cassini-Huygens, sur le site du CNES

L'exploration de Saturne, sur le site du CNES

Juno explore Jupiter, sur Sciences en ligne

Une sonde à l'assaut d'un astéroïde, sur Sciences en ligne

New Horizons lancée vers Pluton et ses lunes, sur Sciences en ligne

Cassini : ultime ballet cosmique pour le sondeur des anneaux, entretien réalisé par le CNES

Arthur Jeannot
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