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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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VKS, l'effet dynamo reproduit en laboratoire
L'expérience de dynamo fluide de la collaboration VKS imite le phénomène de dynamo naturelle, à l'origine des variations des champs magnétiques planétaires et stellaires.

La dynamique du champ magnétique

Le courant électrique que nous utilisons est en grande partie généré par effet dynamo ou en tout cas par des phénomènes similaires. Dans l'Univers, l'effet dynamo joue aussi un rôle clef dans le champ magnétique des planètes et des étoiles. Dans une dynamo solide, l'énergie mécanique du mouvement d'un aimant est convertie en énergie électromagnétique dans la bobine. Dans une dynamo fluide, l'aimant est remplacé par un fluide conducteur dont le mouvement induit un champ magnétique.

En 2007, la collaboration VKS applique cet effet dynamo à du sodium liquide mis en rotation turbulente, d'où son nom d'expérience de dynamo Von-Kármán-Sodium. Dans un cylindre rempli de ce liquide métallique, deux turbines tournent en sens inverse. Lorsque l'on augmente la vitesse de rotation, l'écoulement acquiert toutes les caractéristiques de la turbulence, créant un vortex de liquide, qui génère un champ magnétique. En effet, au-delà d'un certain seuil de turbulence, les variations de champ magnétique au niveau moléculaire se renforcent les unes les autres, créant un champ magnétique à l'échelle macroscopique. En 2017, une équipe a utilisé la géométrie de cette expérience pour réaliser une simulation à haute résolution de cet effet dynamo. Le flux de sodium est modélisé à l'intérieur même du dispositif, non plus seulement au niveau des pales.

Mieux comprendre les champs magnétiques des corps célestes

La plupart des planètes, étoiles et galaxies possèdent un champ magnétique, engendré spontanément par l'effet de dynamo fluide. Dans le cas des dynamos stellaires et planétaires, les écoulements à leur origine sont généralement provoqués par le mouvement d’ensemble de l'astre. L'expérience VKS et ses simulations permettent d'imposer ce type de rotation à un fluide en faisant tourner une turbine plus rapidement que l’autre. Le champ magnétique alors obtenu évolue au cours du temps, avec des renversements erratiques de sa direction, un comportement similaire à ce que l’on sait de l’évolution du champ terrestre au cours des âges.

Certaines caractéristiques de la dynamo d'objets astronomiques à cœur liquide et conducteur peuvent donc être étudiées en laboratoire, dans des situations contrôlées. C'est le cas de la Terre, où le champ magnétique passe d'un état stable à un état présentant des inversions périodiques, tous les cent mille ans environ, le dernier s'étant déroulé il y a sept cent mille ans. En plus de laisser dans les sédiments des traces utiles pour reconstituer le passé géologique de notre planète, les variations du champ magnétique affaiblissent la magnétosphère durant les quelques milliers d'années que dure en moyenne un renversement. Un tel phénomène pourrait exposer nos réseaux de télécommunications aux rayons solaires et cosmiques.

En savoir plus

Étudier sur Terre la génération du champ magnétique à l'intérieur des étoiles et des planètes, sur Le fil Science et Technos, site du CEA

Le champ magnétique de deux aimants, sur Sciences en ligne

Origine du champ magnétique solaire, à propos de la dynamo solaire

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