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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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Les points forts de l'agroforesterie
L'agroforesterie, en associant les arbres et les cultures, améliore la santé des sols et des écosystèmes, notamment à travers l'atténuation du changement climatique et la résilience face à ses effets.

L'agroforesterie et la transition agroécologique

Le système d'agriculture actuel doit se transformer afin de répondre aux défis de la production agroalimentaire, du climat et des métiers de la paysannerie. Omniprésente dans les pays tropicaux, l'agroforesterie suit la démarche des techniques d'agroécologie avec une gestion des terres qui associe arbres et cultures. Au-delà des agricultures biologique ou raisonnée visant à diminuer l'utilisation des produits phytosanitaires ou des intrants, elle se base sur les principes de l'écologie scientifique en vue de favoriser le mimétisme avec les écosystèmes naturels.

Le principe de base est de choisir le bon couple arbre-culture, de manière à favoriser la complémentarité entre les deux. Des exemples : associer une culture aux racines superficielles à un arbre aux racines profondes, associer une culture à un arbre qui perd ses feuilles lorsque la culture a besoin de lumière, introduire des plantes herbacées dont le cycle de croissance est décalé dans le temps par rapport à celui des arbres auxquelles elles sont associées. Ce couplage est de fait plus complexe que pour une monoculture, ce qui nécessite de faire appel à des compétences et des formations agronomiques poussées. C'est encore plus le cas avec les agroforêts, des associations complexes avec plusieurs espèces d’arbres.

Le choix du couple dépend aussi de la zone agro-climatique, ainsi que des effets bénéfiques souhaités pour le système agroforestier. L'objectif peut être de nature écologique, dans une logique de services écosystémiques. Planter des arbres au-dessus de caféiers, par exemple, leur assure de l'ombrage et enrichit le sol en azote. Les arbres eux-mêmes peuvent fournir une production qui s'ajoute à celle des cultures. Pas seulement du bois, mais aussi des fruits, du fourrage pour les animaux et des substances médicamenteuses. Il existe ainsi une immense variété de couples possible entres les arbres et les cultures, selon l'endroit du monde où l'on se trouve et selon la complémentarité recherchée.

L'agroforesterie et la santé des écosystèmes

Les arbres sont des puits de carbone, puisqu'ils absorbent de grandes quantités du gaz à effet de serre CO2 (dioxyde de carbone). Le carbone atmosphérique est piégé sous forme de matière organique dans la biomasse, d'abord les racines, le tronc et les feuilles des arbres, puis l'humus et la matière organique du sol. Le stockage de ce carbone diminue donc l'effet de serre tandis que les associations agroforestières tamponnent les variations climatiques, ce qui aide les systèmes de production agricole à mieux supporter les chocs climatiques. L’agroforesterie est ainsi classée par les spécialistes du GIEC (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) parmi les méthodes de mise en valeur du sol capables de renforcer l’adaptation au changement climatique et son atténuation. Son exemple est de plus en plus cité pour illustrer cette synergie.

La présence d'arbres dans, autour et à proximité des parcelles agricoles contribue ainsi à l'amélioration de la qualité des sols en termes de fertilité et de biodiversité. La couverture et l'enrichissement en matière organique des sols en améliorent les propriétés, de sorte qu’ils retiennent mieux l’eau et les nutriments dont les plantes ont besoin. La présence d'un couvert permanent aide en particulier à lutter contre l'érosion des terres, par exemple en cas de pluies importantes. Si les arbres associés aux cultures fixent l'azote, notamment avec la symbiose entre les bactéries de type Rhizobium et des plantes de la famille des légumineuses, le sol sera également enrichi en azote. De même, le sol peut être enrichi en phosphore grâce à la symbiose mycorhizienne entre des champignons et des arbres.

Dans ces nouveaux paysages de bocages agroforestiers, les arbres créent de l’hétérogénéité. Ils participent à la conservation de la biodiversité et contribuent à l'équilibre des agro-écosystèmes dans lesquels ils s'insèrent. Plantés dans les parcelles, au bord des chemins ou autour des ruisseaux, les grands arbres structurent l'espace rural et font s'inscrire l'agroforesterie dans une démarche à l'échelle du paysage.

Article réalisé à partir d'un entretien avec Emmanuel Torquebiau, chercheur au CIRAD Montpellier et expert en écologie tropicale et agroforesterie.

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Arthur Jeannot
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