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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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Polluants de l'air, une menace pour la santé
Les polluants chimiques d'origine humaine sont un véritable problème de santé publique, pas seulement lors des pics de pollution, mais en continu et sur le long terme.

Les polluants chimiques, un enjeu de santé publique majeur

En plus d'avoir des effets sur l'environnement, notamment par l’intermédiaire des pluies acides, la pollution de l’air constitue un danger pour la santé humaine. Chaque jour, environ 15 000 litres d’air transitent par nos voies respiratoires. Les jeunes, les personnes âgées et les populations défavorisées en souffrent le plus, mais cette pollution affecte tout le monde, aussi bien en ville qu'à la campagne, dans les pays développés et ceux dits en voie de développement. Selon l’Agence européenne pour l’environnement, la pollution de l’air serait responsable de 467 000 morts prématurées chaque année en Europe.

Les particules en suspension pénètrent dans le système respiratoire, les plus fines d'entre elles pouvant même rejoindre la circulation sanguine. La dégradation de la qualité de l’atmosphère augmente le risque d’accident vasculaire cérébral, de cardiopathie, de cancer du poumon, de certaines maladies neurodégénératives et de maladies respiratoires aiguës comme l’asthme. En provoquant des irritations au niveau du nez et des yeux, elle est aussi liée à l'augmentation du nombre d'accidents de la route. Dans certaines villes, l’exposition à cette pollution équivaut à un tabagisme passif de six cigarettes par jour. La pollution de l'air intérieur, suivant les méthodes de chauffage et de cuisson des aliments, pose également problème.

Des particules en suspension dans l'atmosphère

Les particules en suspension sont constituées d'un mélange de substances organiques et minérales, sous forme solide ou liquide. On trouve parmi elles les sulfates, les nitrates, l’ammonium, le chlorure de sodium, le carbone, les matières minérales et l’eau. Elles proviennent de sources naturelles, comme le sel de la mer ou les poussières des éruptions volcaniques, des feux de forêts et des déserts, ou proviennent d’activités humaines. En moyenne, les aérosols d'origine anthropique constituent environ 10 % de la quantité totale d'aérosols présents dans l'atmosphère. Les matières particulaires peuvent être classées selon leur diamètre. Ainsi, les PM10 ont un diamètre inférieur à 10 micromètres. Les PM2,5 sont qualifiées de particules fines, les PM1,0 de particules très fines et les PM0,1 de particules ultra-fines ou nanoparticules.

Les processus de transformation, de transport et d'élimination des particules polluantes sont sous l'influence de la chimie de l'atmosphère. Suivant les conditions météorologiques, elles peuvent s'accumuler dans des masses d'air stagnantes. Les particules primaires sont émises directement dans l’atmosphère, alors que les particules secondaires sont formées par des réactions chimiques de polluants gazeux dans l’atmosphère. Le chauffage résidentiel au bois, la combustion de certaines industries ou le trafic, notamment des véhicules roulant au diesel, émettent du dioxyde d'azote sous forme gazeuse. Sous l'effet de composés présents dans l'atmosphère, celui-ci peut se transformer en acide nitriques. Les activités agricoles sont responsables de la présence d'ammoniac, certaines industries émettent du dioxyde de soufre, tandis que les centrales à charbon contribuent à la présence de sulfates.

Des recommandations pour mieux protéger la santé

Les pics de pollution correspondent à des dépassements de seuils réglementaires d’alerte, définis en 2008 par l’Union européenne et transposés dans le droit français fin 2010. En plus d'occulter la question de la pollution quotidienne, ces valeurs seuils ne sont pas assez protectrices. Pour les PM2,5 par exemple, elle est de 25 μg / m3 grâce à la législation européenne, qui deviendront 20 μg / m3 dès 2020, alors que l’OMS recommande un seuil annuel à 10 μg / m3. Les PM1,0, elles, ne sont pas réglementées. De plus, outre l'indicateur de la concentration massique des particules en suspension, la connaissance de leur composition chimique est aussi un enjeu scientifique et politique. Dans un avis publié le 23 mai 2017, l'Anses (Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail) recommande ainsi d’abaisser la valeur seuil annuelle pour les PM2,5 au niveau des recommandations de l'OMS, ainsi que d’introduire une valeur seuil journalière pour ce polluant.

L'agence souligne également l’importance de poursuivre les efforts dans la mise en œuvre de politiques publiques de long terme en faveur de l’amélioration de la qualité de l’air. Dans cette optique, la réduction de la formation de particules secondaires implique le développement des transports collectifs et des transports doux, la modification des pratiques d'épandage et d'élevage, le renouvellement des dispositifs de chauffage au bois et un investissement dans l'isolation des logements.

En savoir plus

L’Anses recommande de poursuivre les efforts pour améliorer la qualité de l'air ambiant, l'avis de l'ANSES

Les particules fines sont dangereuses, pas seulement pendant les pics de pollution, sur The Conversation

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Accord sur les émissions de HFC, sur Sciences en ligne

Arthur Jeannot
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