La recherche silencieuse de la matière noire profondément sous terre

L’un des endroits les plus calmes et les plus sombres du cosmos n’est pas dans les profondeurs de l’espace. C’est au centre d’un réservoir de xénon liquide froid dans une mine d’or au fond des Black Hills du Dakota du Sud. Il doit être aussi silencieux : toute particule parasite pourrait perturber les détecteurs tapissant l’extérieur du réservoir. Ces détecteurs recherchent des signaux faibles et rares, susceptibles de révéler la présence de matière noire.

L’ensemble – le conteneur de xénon liquide et gazeux, le réservoir d’eau qui l’enveloppe et tous les détecteurs – est appelé l’expérience sur la matière noire Large Underground Xenon (LUX). Jusqu’à présent, LUX n’a ​​rien trouvé, mais les jours de son fonctionnement ne font que commencer : le détecteur a été installé et a commencé à fonctionner l’année dernière.

Bien qu’encore relativement jeune, LUX a déjà établi de nombreuses normes pour la chasse aux particules de matière noire. Lors de ma visite, l’installation se préparait pour la prochaine collecte de données, qui impliquera 300 jours de fonctionnement constant. La taille et la sensibilité de l’expérience, le dévouement de ses concepteurs à comprendre toutes les sources de bruit et la relative simplicité du détecteur laissent beaucoup espérer que s’il y a de la matière noire à trouver, LUX – ou son successeur – la trouvera.

(J’utiliserai “détecteur” pour décrire LUX dans son ensemble en plus des détecteurs de photons individuels qui constituent la partie commerciale de l’expérience. J’espère que le contexte indiquera clairement lequel est lequel.)

Ce dernier “si” est important, bien sûr. La matière noire est remarquable par son invisibilité : elle n’absorbe ni n’émet de lumière d’aucune longueur d’onde. Nous le connaissons à travers son action gravitationnelle, la façon dont il a façonné les galaxies, organisé les plus gros objets de l’Univers et affecté le spectre de la lumière depuis les premiers jours du cosmos. Sur la base de la structure des galaxies, les astronomes soupçonnent qu’elle est constituée de particules. Mais la masse de ces particules, le nombre de types pouvant exister et la manière dont elles interagissent relèvent encore de certaines conjectures.

Si, par exemple, la matière noire n’interagit pas avec la matière ordinaire à n’importe quelle échelle que notre habileté expérimentale peut actuellement atteindre, LUX ne produira rien, quelle que soit la sophistication de l’expérience.

Rick Gaitskell, l’un des principaux chercheurs sur LUX, est professeur à l’Université Brown aux États-Unis. (Il est né et a fait ses études en Angleterre, un héritage qui s’est manifesté dans son choix vestimentaire d’un costume trois pièces en flanelle verte avec des chaussettes rouge vif.) Il a dit à Ars : « Je cherche de la matière noire depuis 27 ans. Nous avons eu un certain nombre de résultats au fil des ans où nous avons fini par ne rien voir ou un ou deux cas, nous avons vu quelque chose qui semblait en fait plutôt excitant, en ce sens qu’il montrait initialement de nombreuses caractéristiques que vous pourriez associer à un interaction avec la matière noire. Cependant, aucun de ceux-ci n’a été confirmé par des expériences ultérieures – et la plupart ont maintenant des explications banales.

Cette frustration passée fait partie de ce qui motive Gaitskell. Il a abandonné une autre expérience lorsqu’il a conclu qu’elle ne réussirait probablement jamais : le taux de détection, basé sur des calculs, serait probablement inférieur à une particule de matière noire par siècle pour chaque kilogramme de matériau détecteur. Pour la plupart des matériaux de détection, cela implique un coût prohibitif. Si vous voulez trouver de la matière noire à l’échelle d’un an ou deux, vous aurez besoin d’un détecteur avec des masses de plusieurs tonnes métriques. Mais la masse est l’endroit où LUX et ses frères et sœurs, tels que l’expérience XENON100 au Gran Sasso en Italie, excellent. L’utilisation du xénon comme moyen de détection présente de nombreux avantages, notamment la possibilité de construire de grandes dimensions.

Licornes, drogue murale et matière noire

Pour comprendre comment LUX chasse la matière noire, j’ai décidé de visiter le laboratoire et de voir par moi-même. Ce n’est pas exactement dans un endroit qui vous fait penser à la physique.

Je suis arrivé dans le Dakota du Sud pendant les dernières affres de l’hiver ; à la fin du mois de mars, les Black Hills étaient encore couvertes de neige, mais l’air plus chaud portait des notes de printemps alléchantes. Heureusement, les vols sont tombés entre les chutes de neige de fin de saison, bien qu’il ait neigé suffisamment pour couvrir ma voiture de location pendant ma journée sous terre à LUX. Les Black Hills sont des montagnes en miniature, des pics rocheux escarpés culminant plus bas que les contreforts de la plus grande chaîne avant des Rocheuses ou des Tetons. Néanmoins, ce sont des montagnes avec tout ce que cela implique : des tempêtes de neige soudaines, des barrières qui peuvent fermer les routes en cas de mauvais temps et des panneaux « chutes de pierres » partout.

LUX fait partie de l’installation de recherche souterraine de Sanford (SURF), située dans l’ancienne mine d’or Homestake dans la ville de Lead. (L’ironie d’une mine d’or à Lead a rapidement disparu. Le nom se prononce “leed”, pas comme le métal.) Toute la région profite de son passé du Far West, en particulier la ville adjacente de Deadwood. Chaque hôtel et station-service a les machines à sous et les innombrables panneaux d’affichage annoncent de gros gains dans les casinos. Le Dakota du Sud en général a des lois non restrictives sur les panneaux d’affichage, comme le savent tous ceux qui traversent l’État en voiture. Il y a des panneaux pour Wall Drug, Mount Rushmore et diverses autres destinations touristiques qui éclipsent presque Poursuivant cette tendance, le laboratoire a son propre panneau Wall Drug, indiquant la distance à 97 miles horizontalement, plus 2037 pieds verticalement.

Selon les normes publicitaires, Sanford et LUX sont relativement discrets. Le laboratoire n’est généralement pas ouvert au public. Pour y accéder, j’ai dû traverser un quartier résidentiel dans des rues escarpées (et à cette époque de l’année) enneigées. Étant donné que l’accès à la partie souterraine du laboratoire nécessite de faire fonctionner les ascenseurs miniers, appelés « cages », je devais me présenter à 6 heures du matin pour une formation à la sécurité. Même avec le décalage horaire plus ou moins en ma faveur, c’était encore assez tôt pour être fonctionnel, même si je l’avais mieux que l’équipe de tournage de la BBC venue du Royaume-Uni.

Le briefing sur la sécurité consistait en grande partie en une vidéo nous indiquant ce que nous devrions faire si nous devions évacuer le laboratoire. Nous avons signé une décharge. Nous avons même dû affirmer que nous ferions des « choix intelligents », une chose apparemment futile à demander à un tas de journalistes sans expérience minière parmi eux. Enfin, avant de descendre, nous avons dû mettre des bottes en caoutchouc à embout d’acier, des combinaisons, des lunettes de sécurité, des casques de protection avec des lanternes et un appareil respiratoire d’urgence spécial attaché à une lourde ceinture utilitaire. Nous avons créé une équipe sexy à la fin du processus.

Les cages elles-mêmes sont assez grandes pour environ 15 personnes, avec des rails dans le sol pour les chariots miniers. Ils n’ont pas de lumières intégrées, donc pendant la descente de 10 minutes, de nombreux membres de l’équipage ont allumé leurs lanternes de casque. (Ce n’est pas un voyage pour ceux qui souffrent de claustrophobie.) Même les moteurs de levage et d’abaissement des cages sont d’époque : ils ont été construits en 1939 et les bobines de câble sont en fonte. Les jauges indiquant la position des ascenseurs sont d’énormes disques avec des pointeurs, une autre touche délicieusement analogique.

Gaitskell a apporté un altimètre d’avion adapté dans notre cage pour montrer en temps réel à quelle distance nous descendions. Étant donné que le sommet de la mine est à environ un mile au-dessus du niveau de la mer et que le laboratoire est à environ un mile sous terre, nous avons presque atteint l’altitude de ma ville natale de Richmond, en Virginie. Mes oreilles ont certainement enregistré le changement de pression atmosphérique.

Aussi rustique que soit l’approche, le laboratoire lui-même est une installation moderne typique et élégante : tous les tuyaux brillants, les escaliers en métal et les sols carrelés. Les accessoires typiques de la vie de bureau abondent. Il y a des ordinateurs, des tableaux blancs, des refroidisseurs d’eau et (l’équipement de laboratoire le plus nécessaire) des machines à expresso tous sous terre. L’étudiante en doctorat de l’University College London, Sally Shaw, m’a dit : « Vous oubliez en quelque sorte que vous êtes sous terre là-bas. » De plus, les chercheurs ont agrémenté le laboratoire de touches personnelles. Un panneau d’avertissement avertit les visiteurs de ne pas nourrir les scientifiques, et quand j’ai regardé autour de moi, j’ai repéré quelques licornes en papier assises sur différentes étagères. Shaw a déclaré que les licornes avaient probablement commencé comme un projet d’ennui de fin de soirée, mais qu’elles étaient devenues une blague intérieure. Après tout, la chasse à la matière noire est comme chercher des licornes.