La matière noire est un composant hypothétique de l’Univers, incluse dans le modèle cosmologique standard, permettant d’expliquer la courbe de rotation des galaxies, la formation des grandes structures et les fluctuations de densité observées dans le spectre du fond diffus cosmologique. Bien qu’il n’y ait toujours aucune preuve définitive de sa présence, la collaboration DArk MAtter (DAMA) a révélé il y a quelques années avoir identifié un signal positif de son existence. Toutefois, il semblerait que l’expérience COSINE-100 remette sérieusement en cause ce résultat. 

Les indices astrophysiques suggèrent que l’univers contient une grande quantité de matière noire, mais aucun signal précis n’a été observé malgré les efforts concertés de nombreuses missions d’observation. L’affirmation controversée de la collaboration DArk MAtter (DAMA), qui a fait état d’observations positives de la matière noire dans son réseau de détecteurs à l’iodure de sodium, constitue une exception à cette règle.

La collaboration DAMA a en effet affirmé avoir mis en évidence l’existence d’un modèle indépendant positif dans ses données acquises sur 7 cycles annuels, de 1995 à 2002. Ce modèle est compatible avec tout un ensemble de scénarios impliquant de potentiels candidats à la matière noire comme les neutralinos et les neutrinos stériles. Une analyse rigoureuse du protocole expérimental et des résultats a permis d’écarter tout biais de mesure et toute source d’erreur systématique.

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Le détecteur à iodure de sodium de l’expérience COSINE-100 est placé dans un tank en acrylique rempli d’un liquide scintillant. Crédits : Chang Hyon Ha

La nouvelle expérience COSINE-100, basée sur un détecteur de matière noire souterrain du laboratoire souterrain de Yangyang en Corée du Sud, a commencé à explorer les données publiées par la DAMA. Il s’agit de la première expérience suffisamment sensible pour tester les résultats de la DAMA et utiliser le même matériau cible d’iodure de sodium.

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COSINE-100 enregistre des données depuis 2016 et dispose maintenant de résultats initiaux qui remettent en cause les conclusions de la DAMA. Ces résultats ont été publiés dans la revue Nature. « Pour la première fois en 20 ans, nous avons une chance de résoudre l’énigme de la DAMA » déclare Reina Maruyama, professeure de physique à Yale, co-porte-parole de COSINE-100 et co-auteure de la nouvelle étude.

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L’expérience COSINE-100 utilise le même détecteur que la collaboration DAMA afin de travailler sur un protocole expérimental identique. Crédits : Chang Hyon Ha

La première phase du travail de COSINE-100 traque la matière noire en recherchant un excès de signal par rapport au fond attendu du détecteur, avec la bonne énergie et les bonnes caractéristiques. Dans cette première étude, les chercheurs n’ont trouvé aucun excès de signal dans ses données, mettant en contradiction le signal de modulation annuel de DAMA avec les résultats d’autres expériences.

Les scientifiques de COSINE-100 ont indiqué qu’il faudrait plusieurs années de données pour confirmer ou infirmer complètement les résultats de DAMA. L’expérience COSINE-100 utilise huit cristaux d’iodure de sodium dopés au thallium et à faible bruit de fond, disposés selon une matrice 4-sur-2, ce qui donne une masse totale cible de 106 kg. Chaque cristal est couplé par deux photodétecteurs pour mesurer la quantité d’énergie déposée dans le cristal.

Schéma expliquant le fonctionnement du détecteur de l’expérience COSINE-100. Crédits : COSINE-100 Collaboration

Les assemblages de cristaux d’iodure de sodium sont immergés dans 2200 litres de liquide émetteur de lumière, ce qui permet l’identification et la réduction ultérieure des fonds radioactifs observés par les cristaux. Le détecteur est contenu dans un agencement imbriqué de composants de blindage en cuivre, en plomb et en plastique, afin de réduire la contribution de fond du rayonnement externe, ainsi que des muons des rayons cosmiques.

« Les résultats initiaux délimitent une bonne partie de la région de recherche possible de matière noire dessinée par le signal de la DAMA. En d’autres termes, il reste peu de place pour que cette affirmation soit issue de l’interaction de la matière noire, à moins que le modèle de matière noire ne soit modifié de manière significative » conclut Hyun Su Lee, l’autre co-porte-parole de COSINE-100, et directeur associé du Center for Underground Physics de l’IBS.

Source : Nature

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