S'inscrire identifiants oubliés ?

Les batteries au lithium pour un Nobel

De la petite électronique à la voiture électrique, la pile lithium-ion - non rechargeable - et surtout l'accumulateur - rechargeable - ont envahi notre quotidien. Sans cette technologie lithium-ion, téléphones mobiles, tablettes et autres appareils nomades n’existeraient pas ou seraient ...

Du champagne supersonique

Physique du bouchon de champagne

Tout le monde le sait, lorsqu’une bouteille de champagne est débouchée, le bouchon est souvent violemment propulsé… ce qui peut être dangereux s’il percute l’œil. La raison pour laquelle le bouchon saute à environ 50 km/h vient ...

Le matériau le plus noir du monde

Si vous pensiez qu’obtenir un noir intense était chose facile, vous vous trompiez. Depuis de nombreuses années, artistes et scientifiques cherchent la formule du véritable noir, ou du moins à s'en approcher. Par noir véritable, entendez une surface qui ne renverrait aucun rayon lumineux. Actuellement, ...

Organes sur puce, vers un futur bionique ?

Imaginez une puce tenant dans la main qui renfermerait un micro-poumon ? Science fiction ? Fantasme de savant fou ? Absolument pas, il s'agit de choses bien réelles et déjà brevetées ! Apparus courant 2010, les organes sur puce ...

50 ans de Lune

© NASA, 1968

Apollo, conquête spatiale et apports scientifiques

"Un petit pas pour l'homme, mais un grand pas pour l'humanité", les mots de Neil Armstrong sont restés dans l'Histoire, comme l’empreinte de la chaussure de Buzz Aldrin restera sur la Lune ...

CRISPR-Cas9, une révolution et des dérives

Une modification aux effets secondaires indésirés

En novembre 2018, un scientifique chinois révélait au monde entier qu'il avait réussi à créer des bébés génétiquement modifiés. Cet apprenti Frankenstein a modifié in vitro un

Sommes-nous seuls dans l'univers ?

Un peu d'histoire

A l'aube de la civilisation, la vie extraterrestre est envisagée par le prisme des dieux et divinités. Les Incas pratiquent des sacrifices, et les Aztèques tracent de grandes figures au sol destinées ...

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

» lire tous les articles 1 2 3 4 5 6 7 8
sciences en ligne
exploratheque
du premier stage au premier emploi


Radiographier les volcans grâce aux muons
En imagerie géophysique, la tomographie par muons cosmiques permet de comprendre la dynamique du système hydrothermal des volcans.

Flux de muons cosmiques

Dans le modèle standard de la physique des particules, les muons sont des particules élémentaires chargées parfois appelées « électrons lourds ». Produits par la collision entre une particule cosmique et un atome de gaz de la haute atmosphère terrestre, leur durée de vie moyenne est de 2,2 microsecondes. Depuis le ciel, dix mille muons par mètre carré et par minute se déversent sur nous. Très énergétiques, ces particules ont un grand pouvoir de pénétration dans la matière, ce qui signifie qu'elles peuvent traverser plusieurs centaines de mètres de roche.

Installés en contrebas de l'objet d'étude, qui peut être une pyramide, un plateau karstique ou un volcan, les télescopes à muons détectent le flux de ces particules ayant traversé l'objet. Suivant la quantité de matière rencontrée, les flux provenant de différentes directions sont plus ou moins atténués. Mesurer cette atténuation permet de déduire la masse volumique des milieux, autrement dit leur densité. Avec plusieurs télescopes, cette tomographie muonique fournit des représentations en trois dimensions de l'intérieur des volcans.

Les six télescopes de la Soufrière

Sur le volcan de la Soufrière, large d'environ un kilomètre et situé au sud de l'île de Basse-Terre de Guadeloupe, six télescopes à muons sont aujourd'hui installés. La radiographie des entrailles de la structure géologique par cette technologie est développée depuis 2008, Le dernier télescope en date a été placé au nord du volcan, zone qui ne comportait pas encore de télescope à ce moment-là. La couverture angulaire permet ainsi une tomographie muonique en trois dimensions plus complète qu'auparavant, puisque le trou dans l'angle de vue nord est comblé.

Constitués de quatre plaques rectangulaires d'un mètre carré, les télescopes à muons ont besoin d'un temps d'exposition assez long pour accumuler des particules, de la même manière qu'un appareil photo ouvre son obturateur plus ou moins longtemps suivant le flux de lumière qu'il reçoit ou laisse passer. Sur le volcan de la Soufrière, leur résolution temporelle ne descend pas en-dessous d'une dizaine de jours pour former une image. Les informations qu'ils fournissent ne permettent donc pas en l'état de prévenir un événement soudain comme une éruption phréatique, mais se combinent avec des données issues d'autres techniques pour mieux comprendre ce qui se passe dans le volcan.

Mesurer l'activité hydrothermale du volcan

En analysant les contrastes de densité de matière et leurs variations au cours du temps, les télescopes apportent des informations sur la structure interne et la dynamique hydrothermale des volcans. Quel est le volume des réservoirs de vapeur ? Quelle énergie s'accumule dans les roches ? Quels effets ont les saisons des pluies sur l'état des nappes phréatiques autour du dôme ? À quels endroits la vapeur se forme et chasse l'eau liquide ? Comment évoluent les sources des fumerolles, ou les zones exposées à une activité phréatique ? Grâce l'étude du flux du muons, certaines certaines variations de 20% en trois semaines peuvent mettre en évidence des zones concernées par une arrivée brutale de vapeur.

Par exemple, à l'été 2014, les cinq télescopes de l'époque ont détecté la variation d'une masse de cinq cent mille tonnes de fluide. La tomographie muonique a permis l'observation en direct de la formation de poches de vapeur à l'intérieur du volcan, poches qui ont chassé l'eau liquide présente sous le cratère sud. Ces changements rapides à l'échelle géologique, c'est-à-dire en à peine quelques mois, ont pu être reliés à l'intensification du rejet de fumerolles par la Soufrière. Les données actuelles montrent que les mouvements de vapeur du volcan sont aujourd'hui très dynamiques sur son quart sud-est, un endroit donc exposé à une éventuelle activité phréatique. Depuis deux ou trois années, le nord-est du volcan est de plus en plus concerné, une intensification de l'activité hydrothermale dans cette zone qui se traduit par le dépérissement de la végétation du fait de l'extension des zones fumerolliennes vers le nord du volcan.

Détecter et comprendre les flux de particules

En plus de porter le nombre de télescopes muoniques à six, la qualité des instruments a été améliorée. Les matrices de détection ont divisé par deux la taille de leurs pixels, passant à une résolution de dix mètres. Avec quatre ordinateurs par télescope, l'informatique a un impact sur la consommation énergétique du système. Pour chaque télescope, le principal ordinateur de quarante watts a été remplacé par un ordinateur miniature de vingt-cinq watts. Diminuer la quantité de panneaux solaires nécessaire simplifie la quantité de matériel à installer et entretenir autour du télescope.

Afin de mieux analyser où se cache l'information pertinente dans les signaux, les algorithmes de traitement et les méthodes d'analyse des données évoluent également. Des modélisations visent à corriger l'influence de deux fluons de muons parasites. À cause des grands volumes d'atmosphère présents en contrebas des télescopes, placés au flanc du volcan, de rares muons produits en basse altitude remontent et pénètrent les télescopes par l'arrière, selon la même direction. De plus, des muons de très basse énergie peuvent dévier de leur trajectoire dès les premiers mètres du volcans, étant alors détectés par les télescopes sans avoir traversé la structure géologique. Ce flux de muons diffus ne fait varier les résultats que de quelques dix pour cents, sans même modifier les contrastes de densité qui intéressent les géophysiciens. Comme il est constant, les modélisations en cours de finalisation permettront de corriger cet effet a posteriori sur l'ensemble des données.

Article réalisé à partir d'un entretien avec Dominique Gibert, géophysicien, de l'Observatoire des sciences de l'université de Rennes.

Publié le 29 juin 2017

En savoir plus

Des particules cosmiques pour ausculter les volcans, sur CNRS Le Journal

Un documentaire sur le projet Diaphane au volcan de la Soufrière, en Guadeloupe

Arthur Jeannot
Twitter Facebook Google Plus Linkedin email