ArDM - ArDM
L' expérience ArDM ( Argon Dark Matter ) est une expérience de physique des particules basée sur un détecteur d' argon liquide , visant à mesurer les signaux des WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), qui constituent probablement la matière noire dans l'univers. La diffusion élastique des WIMP à partir des noyaux d'argon est mesurable en observant les électrons libres de l' ionisation et les photons de la scintillation , qui sont produits par le noyau en recul interagissant avec les atomes voisins. Les signaux d'ionisation et de scintillation peuvent être mesurés avec des techniques de lecture dédiées, qui constituent une partie fondamentale du détecteur.
Afin d'obtenir une masse cible suffisamment élevée, l'argon de gaz rare est utilisé en phase liquide comme matériau cible. Le point d'ébullition de l'argon étant à 87 K à pression normale, le fonctionnement du détecteur nécessite un système cryogénique .
Objectifs expérimentaux
Le détecteur ArDM vise à détecter directement les signaux des WIMP via la diffusion élastique des noyaux d'argon. Pendant la diffusion, une certaine énergie de recul - généralement comprise entre 1 keV et 100 keV - est transférée du WIMP au noyau argon.
On ne sait pas à quelle fréquence un signal de l'interaction WIMP-argon peut être attendu. Ce taux dépend du modèle sous-jacent décrivant les propriétés du WIMP. L'un des candidats les plus populaires pour un WIMP est la particule supersymétrique la plus légère (LSP) ou le neutralino issu des théories supersymétriques . Sa section efficace avec les nucléons se situe vraisemblablement entre 10 -12 pb et 10 -6 pb, ce qui fait des interactions WIMP-nucléon un événement rare. Le taux d'événements total peut être augmenté en optimisant les propriétés de la cible, telles que l'augmentation de la masse de la cible. Le détecteur ArDM devrait contenir environ une tonne d'argon liquide. Cette masse cible correspond à un taux d'événements d'environ 100 événements par jour à une section efficace de 10 -6 pb ou 0,01 événements par jour à 10 -10 pb.
Les petits taux d'événements nécessitent un rejet d'arrière-plan puissant. Un contexte important provient de la présence de l' isotope instable 39 Ar dans l'argon naturel liquéfié de l'atmosphère. 39 Ar subit une désintégration bêta avec une demi-vie de 269 ans et un point final du spectre bêta à 565 keV. Le rapport de l'ionisation sur la scintillation des interactions électroniques et gamma est différent de celui produit par la diffusion WIMP. Le fond 39 Ar se distingue donc bien, avec une détermination précise du rapport ionisation / scintillation. Comme alternative, l'utilisation d'argon appauvri provenant de puits souterrains est envisagée.
Les neutrons émis par les composants du détecteur et par les matériaux entourant le détecteur interagissent avec l'argon de la même manière que les WIMP. Le fond de neutrons est donc quasiment indiscernable et doit être réduit au mieux, comme par exemple en choisissant soigneusement les matériaux du détecteur. De plus, une estimation ou une mesure du flux neutronique restant est nécessaire.
Il est prévu que le détecteur fonctionne sous terre afin d'éviter les arrière-plans induits par les rayons cosmiques .
Statut de construction
Le détecteur ArDM a été assemblé et testé au CERN en 2006. Des études hors sol de l'équipement et des performances du détecteur ont été réalisées avant son déplacement sous terre en 2012 dans le laboratoire souterrain de Canfranc en Espagne. Il a été rempli avec a été mis en service et testé à température ambiante. Lors de la course souterraine d'avril 2013, le rendement lumineux a été amélioré par rapport aux conditions de surface.
De futurs essais de gaz d'argon froid sont prévus ainsi que le développement continu des détecteurs. Les résultats de l'argon liquide sont prévus pour 2014.
Au-delà de la version d'une tonne, la taille du détecteur peut être augmentée sans changer fondamentalement sa technologie. Un détecteur d'argon liquide de dix tonnes est une possibilité d'expansion envisageable pour ArDM. Les expériences actuelles de détection de la matière noire à une échelle de masse de 1 kg à 100 kg avec des résultats négatifs démontrent la nécessité d'expériences à l'échelle de la tonne.
Résultats et orientations futures
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Malgré l'étude de la matière intrinsèquement «sombre», l'avenir semble prometteur pour le développement des détecteurs de matière noire. Le "Dark Side Program" est un consortium qui a mené et continue de développer de nouvelles expériences basées sur l'argon atmosphérique condensé (LAr), au lieu du xénon, liquide. Un appareil récent de Dark Side, le Dark Side-50 (DS-50), utilise une méthode connue sous le nom de «chambres à projection temporelle d'argon liquide à deux phases (LAr TPC)», qui permet de déterminer en trois dimensions les positions des événements de collision créés par l' électrolumnescence créée par les collisions d'argon avec des particules de matière noire. Le programme Dark Side a publié ses premiers résultats sur ses découvertes en 2015, étant jusqu'à présent les résultats les plus sensibles pour la détection de la matière noire à base d'argon. Les méthodes à base de LAr utilisées pour les futurs appareils présentent une alternative aux détecteurs à base de xénon et pourraient potentiellement conduire à de nouveaux détecteurs multi-tonnes plus sensibles dans un proche avenir.