La recherche identifie les contraintes de détection pour les photons sombres

Avril 13, 2020

par Ingrid Fadelli, Phys.org

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Dessin schématique de la future expérience CDEX-100. Crédit: She et coll.

Les observations cosmologiques et astrophysiques passées suggèrent que plus d’un quart de la densité d’énergie de l’univers est constitué d’un type de matière non conventionnel connu sous le nom de matière noire. On pense que ce type de matière est composé de particules qui n’absorbent, n’émettent ou ne réfléchissent pas la lumière et ne peuvent donc pas être observées directement en utilisant des méthodes de détection classiques.

Des chercheurs du monde entier ont mené des études visant à détecter la matière noire dans l’univers, mais jusqu’à présent, aucune d’entre elles n’a réussi. Même le candidat préféré pour la matière noire, les particules massives interagissant faiblement (WIMPs), n’a pas encore été observé expérimentalement.

La collaboration China Dark Matter Experiment (CDEX), une grande équipe de chercheurs de l’Université de Tsinghua et d’autres universités en Chine, a récemment mené une recherche d’un autre candidat possible à la matière noire connu sous le nom de photon sombre. Bien que la recherche ait échoué, leur article, publié dans Physical Review Letters, identifie de nouvelles contraintes sur un paramètre de photon sombre qui pourraient éclairer de futures études.

« Le photon sombre, une particule invisible hypothétique, est un candidat attrayant à la matière noire, qui pourrait également être un nouveau médiateur d’interaction entre la matière noire et la matière normale », a déclaré Qian Yue, l’un des chercheurs qui a mené l’étude. Phys.org .  » L’étude et la détection de la matière noire peuvent contribuer à l’extension du modèle standard (SM) de la physique des particules et élargir notre connaissance de l’univers. »

La collaboration CDEX mène depuis un certain temps des recherches de matière sombre claire, à l’aide d’un détecteur de germanium à contact ponctuel de type p de 10 kg installé au laboratoire souterrain de Chine Jinping (CJPL). CJPL est l’installation de recherche souterraine la plus profonde au monde, avec des morts-terrains rocheux de 2400 mètres.

Le détecteur utilisé par les chercheurs se compose de trois chaînes de détection au germanium à trois éléments, entourées d’un cuivre de 20 cm d’épaisseur, de haute pureté et sans oxygène, qui agit comme un bouclier passif contre la radioactivité ambiante. Cet instrument est directement immergé dans de l’azote liquide pour maintenir des températures relativement fraîches.

« Les photons sombres peuvent être détectés expérimentalement par leur absorption et leur conversion en électrons dans les détecteurs de germanium dans un processus analogue à l’effet photoélectrique des photons SM », a expliqué Yue. « Les sources de photons intenses, par exemple le soleil, offrent une excellente plate-forme pour rechercher des photons sombres. À une plage de 100 eV, le seuil de faible énergie des détecteurs au germanium à contact ponctuel est particulièrement adapté à l’étude des photons sombres. »

Dans leur article récent, Yue et ses collègues ont analysé les données collectées à l’aide du détecteur de CJPL entre février 2017 et août 2018, à la recherche de photons sombres solaires et de photons sombres, deux candidats à la matière noire. Bien que les chercheurs n’aient pas pu observer de signaux pointant vers l’un ou l’autre de ces candidats, ils ont réussi à définir des contraintes sur le paramètre de mélange cinétique efficace entre les photons sombres et les photons SM.

« En tant que candidat attrayant pour la matière noire et nouveau médiateur d’interaction possible entre la matière noire et la matière normale, le photon sombre est attrayant pour d’autres efforts théoriques et expérimentaux », a déclaré Yue. « Nos travaux ont sondé un nouvel espace de paramètres et fixé les limites les plus strictes sur les photons sombres solaires parmi les expériences de détection directe. »

La récente étude réalisée par Yue et ses collègues fournit de nouveaux commentaires précieux qui pourraient éclairer les futures recherches de matière noire, en particulier pour les photons sombres. De plus, leurs travaux renforcent l’intérêt mondial actuel pour l’exploration d’autres candidats à la matière noire, allant au-delà des mauviettes et de leur canal de détection de diffusion élastique avec le noyau.

« Pour poursuivre la recherche de la matière noire claire, nous réinstallerons le réseau de détecteurs CDEX-10 dans un nouveau réservoir cryogénique à azote liquide plus grand d’un volume d’environ 1700 m3 dans le Hall-C du nouveau laboratoire CJPL-II dans les deux prochaines années, où le blindage contre la radioactivité ambiante est fourni par l’azote liquide de 6 mètres d’épaisseur », a déclaré Yue. « Des détecteurs de germanium supplémentaires, jusqu’à environ 100 kg, sont prévus pour être déployés dans le réservoir cryogénique avec un fond réduit et une efficacité de détection plus élevée. »

Plus d’informations: Z. She et al. Contraintes de détection directe sur les Photons sombres avec l’expérience CDEX-10 au laboratoire souterrain de Chine Jinping, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/ PhysRevLett.124.111301

Informations sur la revue: Lettres de révision physique

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