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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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Nouvelle exploration du sol martien
La mission InSight, à destination de Mars, a pour objectif de mieux comprendre l'évolution des planètes telluriques en étudiant la structure interne de la planète rouge.

© NASA/JPL-Caltech

Douzième mission du programme Discovery de la NASA, et unique mission de 2018, InSight (INterior exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) a été lancée le 5 mai 2018 et arrivera à destination de Mars le 26 novembre prochain. Son but est d'affiner les connaissances sur la planète rouge, en particulier de comprendre en profondeur le processus de formation des planètes à partir de corps rocheux (accrétion, chaleur, cristallisation, etc.), mais aussi de mieux cerner le phénomène encore méconnu de différenciation planétaire.
 

Histoire d'une exploration

La première sonde spatiale mise en orbite autour de Mars a été la sonde soviétique Mars 2 en 1971. En 1975, les sondes américaines Viking 1 et 2 sont les premières à fournir des images de Mars ainsi qu'une grande quantité de données totalement inédites (composition de l'atmosphère et du sol, données météorologiques, etc). L'exploration martienne alterne échecs et succès. L'envoi de sondes étant très coûteux, les Américains reviennent en force avec un programme dont le slogan « Better, faster, cheaper » (mieux, plus vite, moins cher ), dénote la nouvelle ligne directrice de la NASA. Mars Global Surveyor (1996) est un immense succès puisque l'orbiteur a, entre autres, permis de renforcer la théorie de la présence d'eau sur Mars. La mission est suivie de Mars Pathfinder, lancée la même année, et dont Sojourner est le premier robot mobile à explorer le sol martien.

Les années 2000 ont vu le succès de plusieurs missions martiennes menées par la NASA, mais aussi par l'ESA. Plusieurs missions consécutives ont eu comme objectif de rechercher de l'eau sur Mars. Ainsi, les missions Mars Odyssey (2001), Mars Exploration Rover (2003), Mars Reconnaissance Orbiter (2005) et Phoenix (2007) ont exploré la calotte polaire de la planète. D'autres missions vont suivre à intervalles réguliers. Leurs objectifs se diversifient et s'affinent de plus en plus avec, par exemple, une étude minutieuse de la géologie et la minéralogie de Mars (Science Mars Laboratory – 2011). Quant à l'ESA, elle lance en 2003 l'orbiteur Mars Express qui recueille des données sur la surface, l'atmosphère, l'ionosphère et le sous-sol de Mars, et vient compléter les données des missions américaines. En 2016, l'orbiteur ExoMars TGO (en collaboration avec l'agence spatiale russe Roscosmos) étudie dans un premier temps l'atmosphère martienne puis sert de relais de télécommunications entre la Terre et les engins européens à venir.

La mission Insight

Les planètes telluriques du système solaire sont au nombre de quatre : Mercure, Vénus, La Terre et Mars. Mars ayant toujours fasciné, elle est aujourd'hui la planète la mieux connue du système solaire après la Terre. La découverte de traces d'eau, la possible présence de vie, sa proximité géologique avec la Terre et sa facilité d'accès en ont fait la cible principale des explorations extraterrestres.

Les missions de ces dernières années se sont principalement concentrées sur la recherche d'eau liquide et sur la possibilité d'apparition de la vie. La mission InSight aura pour objectif d'étudier la taille, la densité et la structure globale du noyau, de déterminer la composition et la structure du manteau, mais aussi d'évaluer l'épaisseur de la croûte de Mars. À son bord, trois instruments qui serviront à observer les « statistiques vitales » de la planète rouge.

Le principal instrument de la mission est le sismomètre SEIS, sous la responsabilité scientifique d'une équipe française (CNES, IPGP, CNRS, Université Paris-Diderot). Il est notamment composé de capteurs sismiques très large bande (Very Broad Band - VBB) et courtes périodes (Short Period – SP) qui serviront à mesurer avec précision les mouvements du sous-sol et autres activités internes de la planète. InSight est également équipé d'une sonde de chaleur HP³ (Heat Flow and Physical Properties Package) qui va pénétrer le sol martien afin de connaître le flux de chaleur interne et mesurer ses variations pour pouvoir révéler l'histoire thermique de la planète.

L'expérience de géodésie RISE (Rotation and Interior Structure Experiment) va, quant à elle, consister à mesurer avec minutie les variations de distances entre la sonde et la Terre. L'étude de la rotation de la planète rouge va permettre d'en savoir plus sur sa constitution interne.
Les instruments auxiliaires consistent notamment en deux caméras (semblables à celles des missions Rover) qui seront utilisées pour aider les ingénieurs et les scientifiques à guider le déploiement des instruments au sol, tout en fournissant une vue panoramique du terrain autour du site d'atterrissage.

Publié le 21/11/2018

En savoir plus :

 

Yassa HARBANE
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