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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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Sommes-nous seuls dans l'univers ?
Francis Rocard astrophysicien au CNES, retrace la quête obsessionnelle de la vie extraterrestre dans l'histoire de l'humanité.

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 à être visibles depuis le ciel pour apaiser la colère d'êtres célestes. 
En Europe, la quête de la vie extraterrestre prend une autre tournure. Pendant longtemps, la religion empêchera les scientifiques de publier leurs recherches sur les « autres mondes ». Ainsi, Giordano Bruno a été brûlé vif pour avoir théorisé « qu'il y avait autant de soleils et de planètes dans l'univers qu'il y avait d'étoiles », et l'église fit un procès à Galilée pour ses découvertes.

En France, Bernard Le Bouyer de Fontenelle publie en 1686 « Entretiens sur la pluralité des mondes » qui sera un immense succès de librairie. Deux siècles plus tard, Camille Flammarion récidive avec la « Pluralité des mondes habités » qui rencontre un grand succès auprès du public qui se passionne pour la question mais l'ouvrage ne reçoit pas l'approbation des savants. Nombreux sont ceux qui entament des recherches sur les autres planètes telle que Mars, proche et donc facilement observable avec les techniques de l'époque. Auparavant, en 1666, Cassini avait découvert la calotte polaire de Mars. À l'époque, cette découverte ne pouvait signifier qu'une chose : il y a de l'eau et donc de la vie sur Mars. C'est ainsi que l'imaginaire autour des Martiens a commencé à se développer.

Mars source de tous les fantasmes

Pendant la Guerre froide, les OVNI font leur apparition dans la culture populaire et le mythe des petits hommes verts s'étend. Nombreux sont ceux qui croient, à tort ou à raison que les extraterrestres nous observent et sont déjà entrés en communication avec les autorités mondiales. Parallèlement, la NASA développe les missions MARINER chargées d'explorer la planète rouge. Mariner 4 orbite autour de la planète en 1965 et prendra une série de 21 clichés. Les photos s'avéreront décevantes. Outre la mauvaise qualité des clichés, aucun signe de vie n'est détecté à la surface qui ressemble à l’inhospitalière surface de la lune.


Ce n'est qu'à partir de Mariner 9 que la planète revient au-devant de la scène. En effet, la mission révèle les première images de fleuves asséchés. Ce qui nourrit l'hypothèse selon laquelle l'eau a été présente et l'est peut-être toujours sur la 4e planète de notre Système solaire. En 1976, la mission VIKING, chargée de détecter des traces de vie conduira à des résultats malheureusement très clairs. Mars est 3 fois stérile ! Il n'y a donc pas de vie à la surface de la planète. Même si la présence de vie actuelles pourrait bien se trouver enfouie profondément dans le sous-sol, la recherche aujourd’hui se concentre sur la vie ancienne qui pourrait avoir existé en certains endroits, comme sur les sols argileux de Mars, qui représentent 5 pourcents de la surface. Actuellement, toutes les recherches effectuées sur le sol martien se concentrent sur ce type de sol. C'est le cas de la mission Curiosity et de son rover du même nom. Arrivé en 2012 sur la planète, il a mis 7 ans à atteindre une strate argileuse qu'il a forée en avril dernier. « Malheureusement pour les curieux, il faudra attendre la publication scientifique pour en savoir plus » annonce Francis Rocard, devant un public pendu à ses lèvres.

Futures explorations

Quels que soient les résultats de cette expérience, la future mission pour Mars est déjà sur les rails. Il s’agirait de rapporter sur Terre, à l'aide d'un rover de deuxième génération, des échantillons du sol martien. Le départ est prévu pour 2020. Il faudra tout de même être patient puisque le retour de cette mission ne sera pas avant 2030.

Dans les prochaines années, d'autre missions sont prévues pour les lunes de Jupiter qui sont très prometteuses. Europe, satellite jovien, recouvert de glace avec un océan intérieur, suscite beaucoup d'espoir. La mission JUICE prévue pour 2022 aura pour objectif d'explorer les lunes glacées de la géante gazeuse.

Des planètes habitables habitées ?

En dehors du Système solaire, les exoplanètes de certaines étoiles pourraient également abriter la vie.

Même s'il est relativement facile de déterminer si une planète est potentiellement habitable, la difficulté est de démontrer qu’elle est réellement habitée. Un moyen serait de détecter la vie en détectant la chlorophylle obtenue par photosynthèse. Toutefois, c’est très difficile et la technologie actuelle ne le permet pas. De plus, cela repose sur l'hypothèse que les formes de vie extraterrestre suivraient le même schéma que la nôtre. La question est de savoir si l'ADN qui définit tous les êtres vivants sur Terre est également universelle dans l'univers. Cela signifie que même avec une planète habitée sous nos yeux nous ne serions peut-être pas capable de déterminer si elle abrite une forme de vie qui nous est inconnue.

Des obstacles insurmontables ?

« Il y a beaucoup de freins, à l'exploration interstellaire pour rechercher la vie extraterrestre. Le développement des technologies n'est pas suffisant pour entreprendre un tel voyage, mais surtout le principal frein reste l’immensité de l'univers et le fait que rien ne va plus vite que la lumière » déclare Mr Rocard, « Ce sont les mots d'Einstein, quand il développe la théorie de relativité. Rien ne surpasse la vitesse d'un photon ». Le problème, c'est que même en se déplaçant à la vitesse de la lumière, l'étoile la plus proche de notre système se trouve à 4 années-lumière. Notre Galaxie fait environ 100 000 années-lumière et nos sondes mettront un milliard d’années à la traverser ! Cette immensité pose problème, mais l’aspect temporel également. En effet, pendant combien de temps serons-nous capables d’explorer l’univers ? Un siècle ou deux ? c’est très peu par rapport à l’âge de notre étoile et la fenêtre temporelle pour une rencontre est minuscule ! Donc même si nous ne sommes pas seuls, il paraît pratiquement impossible que nous rencontrions un jour nos voisins de l'univers.

Aujourd'hui, l’espoir est toujours permis, mais il est restreint. Des donateurs privés continuent d'écouter d’éventuels signaux de preuve de vie technologiquement avancé dans l'espace, dans l’espoir d'une découverte qui sera sans conteste un super effet « Wow » !
 

Conférence de Francis Rocard organisée par Conferencia à La Scala, Paris 10.

Juliette Torregrosa
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