JE2 Recherches directes de matière noire au travers de détecteurs à l’argon liquide

Durant les vingt dernières années, de nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques (fond diffus cosmologique, étude de la formation des structures …) tendent à montrer l’existence d’effets gravitationnels à grande échelle que nous ne pouvons pas imputer à la matière ordinaire (également appelée matière baryonique). Il est ainsi possible d’expliquer de tels effets en considérant que notre Univers est en partie composé par une densité relique de matière non-baryonique que nous qualifions de sombre, car elle n’émet aucun rayonnement. La compréhension de la matière sombre, qui constitue 1/4 de la densité totale de notre Univers, représente un des challenges les plus importants de la cosmologie moderne.

Une possibilité, motivée par la physique des particules, est que la matière sombre serait composée de particules élémentaires encore inconnues à ce jour. Un des candidats des plus prometteurs à la matière sombre est le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), une particule formée dans l’Univers primordial et qui interagirait gravitationnellement avec la matière baryonique.

De nombreuses expériences terrestres tentent de découvrir la matière sombre en recherchant des collisions entre des WIMPs et les noyaux d’un détecteur. Une telle interaction produirait alors des reculs nucléaires de basse énergie (<100 keV) que nous pourrions détecter. Pour de telles recherches, nous nous attendons à mesurer de très faibles taux d’événements, ce qui contraint de telles expériences à explorer de nouvelles possibilités afin augmenter leurs sensibilités.

L’utilisation de l’argon liquide (LAr) comme cible présente l’avantage de pouvoir imaginer de grand détecteur (à l’échelle de plusieurs tonnes) et de disposer d’un excellent pouvoir de discrimination entre les reculs nucléaires provenant de l’interaction avec les WIMPs et les reculs d’électrons provenant du bruit de fond gamma et bêta en utilisant la forme du signal.

Figure 1 Schéma d’une TPC doubles phases à l’argon liquide (gauche) et design de de la TPC de l’expérience DarkSide-50 (droite)

En particulier, les chambres à projection temporelle (TPC-Time Projection Chamber) à double phase opérante avec de l’argon liquide (LAr TPCs), qui sont à même de pouvoir détecter la lumière de le scintillation et d’ionisation produite par des reculs nucléaires lors de l’interaction, sont particulièrement prometteuses, car elles garantissent la localisation de l’événement en 3D dans le volume actif.

Le programme DarkSide

DarkSide est un projet, comprenant plusieurs phases, dont le but est le développement de LAr TPCs utilisant de nouvelles techniques innovantes pour identifier la matière sombre et de comprendre et supprimer le bruit de fond. Dans la phase actuelle, le détecteur DarkSide-50 opère avec une masse fiduciel de 50 kg d’argon liquide depuis novembre 2013. Ce détecteur à d’ores et déjà permis de démontrer l’exceptionnel pouvoir de réjection des reculs d’électron venant du fond dans LAr (>10⁷), la faible contamination de l’argon souterrain en ³⁹Ar et l’efficacité d’un véto actif qui permet de supprimer une grande partie du fond neutron. La prochaine étape du programme DarkSide est la construction d’un détecteur multi tonne avec une grande sensibilité pour la détection des WIMPs.

L’équipe JE2 du LabEx UnivEarthS travaille sur l’analyse des données DarkSide-50 et est leader dans les activités de simulation.

Figure 2 Schéma des trois détecteurs de DarkSide

Le défi technologique de DarkSide-20k

La prochaine phase du projet DarkSide consiste en la construction d’un détecteur pour la recherche de matière sombre avec une masse fiduciel de 20 tonnes d’argon liquide. Afin d’améliorer la sensibilité et de réduire le bruit de fond, le directeur sera équipé d’une nouvelle classe de photo-sensor : les «  Silicon Photomultiplier (SiPMs) arrays », qui remplaceront les photomultiplicateurs (PMTs) standard.

Les SiPMs sont un ensemble de détecteurs au silicium basé sur le principe des photodiodes à avalanche (APD-avalanche photodiodes). La dimension d’un unique APD peut varier de 20 à 100 μm avec une densité pouvant aller jusqu’à 1000 mm^-2. La capacité des SiPM à clairement identifier le photo-électron unique permettra d’étudier avec une grande précision la scintillation de l’argon liquide à basse énergie, ce qui est un élément clef pour la compréhension des données des détecteurs.

Les SiPM présentent également d’autres avantages en les comparant avec des PMTs standards. Le « dark mois » est particulièrement réduit pour les SiPM à la température de l’argon liquide et peut être plus bas que celui des PMTs standards.  De plus, pour des SiPMs, la quantité de matériaux utilisés ainsi que leur pureté sont respectivement considérablement plus faibles et plus élevés que pour la construction des PMTs. Cela permet alors de sensiblement réduire la contamination neutron provenant des réactions (alpha,n), le bruit de fond le plus préjudiciable pour le programme DarkSide. Enfin, la taille limitée des SiPM permet également d’augmenter la masse active d’argon liquide dans la TPC augmentant ainsi la sensibilité pour la détection de matière sombre.

L’équipe JE2 du LabEx UnivEarthS travaille à la caractérisation du comportement des SiPMs à la température de l’argon liquide.