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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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Le matériau le plus noir du monde
Des chercheurs ont réussi a créer par hasard le matériau le plus noir au 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, tout objet de couleur noire est en réalité gris puisque la lumière n’est pas totalement absorbée et se reflète. C’est cette réflexion de la lumière qui rend possible la détection de relief dans des objets noirs comme les plis d’une chemise de couleur noire par exemple. En 2012, était créé le Vantablack capable d’absorber 99,965 % des rayons lumineux. Il restera le noir le plus intense jusqu'à septembre 2019. C’est un matériau capable d’absorber 99,995 % des rayons lumineux qui l’a détrôné. 

Le carbone allié inattendu :

Le nouveau matériau, comme le Vantablack avant lui, utilise une structure particulière lui permettant d’absorber les rayons lumineux. Cette structure, ce sont les nanotubes de carbone. Présents dans la nature, ils ont été synthétisés pour la première foi en 1993 par deux scientifiques distincts, Sumio Lijima et Donald S. Berthune. Les nanotubes de carbone sont une forme allotropique du carbone appartenant à la famille de fullerènes. Ils sont composés d’atome de carbones qui forment un tube parfois refermé à son extrémité par une demi-sphère. Ces structures dont la dimension est de l’ordre du nanomètre présentent de nombreuses propriétés comme une extrême résistance et une conductivité importante. De fait, les scientifiques les étudient depuis de nombreuses années. C’est par hasard que l’équipe du MIT a créé un matériau d’un noir ultra-profond en étudiant la pousse des nanotubes sur une feuille d’aluminium. 

Le principe

Les nanotubes de carbones sont disposés en « forêt », c’est-à-dire qu’ils sont alignés à la verticale resserré les uns entre les autres. Cette disposition permet de capturer la lumière et donc de minimiser la réflexion en créant des « pores » (espace entre les tubes). La découverte du matériau relève de la sérendipité. L’équipe ne cherchait pas à obtenir un noir 10 fois plus intense que le Vantablack, mais simplement à faire pousser des nanotubes de carbone sur de l’aluminium pour accroître ses propriétés conductrices et thermiques. La raison pour laquelle le matériau absorbe encore plus de lumière que ses prédécesseurs reste inconnue. Cela n’a pas empêché les artistes et les entreprises spécialisées dans le camouflage à s’intéresser au matériau. En effet, tout matériel recouvert par ce matériau perd pour l’œil humain tous ses contours. 

Applications futures :

Un artiste résident du MIT a déjà présenté une œuvre réalisée avec ce matériau. Il en a recouvert un magnifique diamant jaune naturel de 16,78 carats, le tout exposé sur un fond noir le faisant passer de visible à invisible. L’œuvre s’appelle « Redemption of vanity » et montre bien l’efficacité du matériau. 
Ces propriétés pourraient s'avérer très utiles à la conception de futurs télescopes, pour bloquer la lumière parasite qui entre dans les lentilles et ainsi améliorer la capacité de détection d'objets célestes.

 

 

Pour en savoir plus :

 

Communiqué de presse du MIT (en anglais) : http://news.mit.edu/2019/blackest-black-material-cnt-0913

Science et vie : https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/materiaux/un-materiau-plus-noir-que-noir_137329

Sur les propriétés absorbante des nanotubes de carbone (anglais) : http://www.physics.umd.edu/courses/Phys404/Anlage_Spring10/nl072369t.pdf

Sur les nanotubes de carbone : https://fr.wikipedia.org/wiki/Nanotube_de_carbone

Sur le Vantablack : https://fr.wikipedia.org/wiki/Vantablack

 

Juliette Torregrosa
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