EDELWEISS

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EDELWEISS est un acronyme (choisi par jeu de mot avec la fleur Edelweiss) signifiant Expérience pour Détecter Les WImps En SIte Souterrain. Les Wimps étant des particules hypothétiques soupçonnées de constituer la matière noire, ou du moins une fraction..

Collaboration française IN2P3-CEA, elle implique les laboratoires suivants :

• CEA/DRECAM Saclay
• CEA/IRFU (ex-DAPNIA) Saclay
• IN2P3/CSNSM Orsay
• IN2P3/IPNL Lyon
• INSU/IAP Paris
• CNRS/CRTBT Grenoble
• IN2P3-CEA/LSM Modane
• Karlsruhe Institute of Technology

Domaine de recherche de EDELWEISS

L'identification de la nature de la matière noire est l'une des questions majeures de la physique contemporaine. Un ensemble d'observations astrophysiques convergentes (mesures des anisotropies du fond de rayonnement cosmique, études de luminosité des supernovae lointaines, études de la distribution de matière dans les amas de galaxies, ...) permet de conclure que la matière ne contribue que pour un tiers à la densité de l'univers (Ω_M ~ 0.3) . Les protons et les neutrons, qui constituent les noyaux des atomes (matière baryonique, capable d'émettre ou d'absorber le rayonnement), ne représentent eux-mêmes qu'une petite fraction de ce tiers de matière (Ω_B ~ 0.04). La plus grande part de la matière dont est fait l'univers est donc invisible, non baryonique, et de nature inconnue ! Dans notre propre Galaxie, au voisinage du Soleil, cette densité de Matière Noire est voisine de 0.3 GeV/cm³ et la recherche d'une possible contribution de nature baryonique sous forme d'objets compacts, massifs et invisibles (expérience EROS).

Cette Matière Noire non baryonique pourrait être constituée d'un nouveau type de particule élémentaire, massive et interagissant faiblement, génériquement appelée WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Reliques thermiques du Big Bang durant lequel elles ont été créées, piégées dans le champ de gravitation des galaxies, ces WIMPs ont naturellement une densité de l'ordre de Ω_M. Or les théories supersymétriques, qui permettent d'unifier les quatre interactions fondamentales, prédisent justement l'existence de nouvelles particules élémentaires, massives et interagissant faiblement avec la matière. La plus légère de ces particules, le neutralino, pourrait être stable et apparaît comme l'un des candidats WIMP les plus sérieux.

La détection directe des WIMPs sur la Terre est possible : interagissant faiblement avec la matière ordinaire par diffusion élastique sur les noyaux d'une cible cristalline, elles vont céder une partie de leur énergie au détecteur sous forme d'énergie de recul des noyaux. Cependant les données cosmologiques et des expériences auprès d'accélérateurs montrent que leur taux d'interaction est extrêmement faible : on prédit que pour un détecteur d'un kg, le nombre d'interactions est de l'ordre d'une par jour, voire très nettement inférieur, ce qui rend les WIMPs plus discrètes encore que les neutrinos. C'est à ce type de recherche que s'est consacrée la collaboration EDELWEISS.

Principes de la détection directe des WIMPs

Toute expérience de détection directe des WIMPs doit affronter deux difficultés principales.

L'énergie de recul cédée au noyau lors d'une diffusion est très faible : de quelques keV à quelques dizaines de keV suivant les masses respectives du neutralino et du noyau. Le seuil en énergie du détecteur doit donc être extrêmement bas.

La collaboration EDELWEISS utilise des détecteurs cryogéniques, portés à très basse température (environ 20 mK) et constitués chacun d'un monocristal massif (320 g) de Germanium de très haute pureté. L'énergie de recul d'un noyau de Germanium y est convertie à la fois en chaleur (mesurée par une élévation de température de l'ordre d'un millionième de degré) et en ionisation (un signal d'ionisation de quelques centaines d'électrons est mesurable). Le seuil en énergie est actuellement de l'ordre de 10 keV. La détection simultanée d'ionisation et de chaleur avec des semiconducteurs refroidis à très basse température pour rejeter le bruit de fond radioactif est une idée originale de Lawrence W. Krauss, Mark Srednicki et Frank Wilczek^[1].

En outre, la faiblesse du taux d'événements attendu (une fraction d'événement par kg de Ge et par jour) impose de se protéger du flux intense d'événements parasites (bruit de fond) auquel est soumis tout détecteur terrestre (rayonnement cosmique, radioactivité naturelle de l'environnement et des matériaux constituant l'expérience). C'est pourquoi l'expérience EDELWEISS est installée en site souterrain profond, au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) sous le mont Fréjus. La couverture rocheuse de 1600 m y réduit le fond cosmique de plus de 6 ordres de grandeur (1/2 000 000) par rapport à son intensité à la surface de la terre.

Diverses protections passives vont de plus réduire le bruit de fond lié à la radioactivité qui reste présente même à grande profondeur. De l'extérieur vers le cœur de l'expérience on distingue :

• un écran de 30 cm de paraffine solide qui va ralentir les neutrons rapides issus de la roche du laboratoire, capables sinon, comme les WIMPs, de provoquer des reculs de noyaux.
• un blindage de plomb de 15 cm qui réduit de plus d'un facteur 1000 le flux de photons gamma dû à la radioactivité de la roche.
• un blindage de cuivre de 10 cm qui stoppe les émissions de basse énergie dues au plomb lui-même (présence de l'isotope radioactif ²¹⁰Pb de demi-vie de 22 ans).
• au plus près des détecteurs, un blindage ultime de plomb ancien de plusieurs siècles (épave romaine de Ploumanac'h, IV^e siècle) dont la radioactivité propre due au ²¹⁰Pb est devenue totalement négligeable. Il protège les détecteurs de la radioactivité proche issue du cryostat.

Il va de soi que tout matériau entrant dans la fabrication du détecteur ou de son environnement proche est très sévèrement sélectionné quant à sa radioactivité. Des cristaux de germanium hautement purifiés ont été produits pour le détecteur lui-même. Tous les autres composants proches (composants électroniques, colles, soudures, métaux des supports,...) sont sélectionnés très basse radioactivité grâce à un banc de spectrométrie gamma réservé à cet usage au LSM.

C'est le bruit de fond résiduel qui va fixer la limite inférieure du taux mesurable d'interactions de WIMPs et donc la sensibilité de l'expérience. Pour augmenter sa sensibilité au-delà de ce que permettent ces protections passives, EDELWEISS a mis en œuvre une technique de mesure simultanée de la chaleur et de l'ionisation qui permet le rejet, par le détecteur lui-même, de plus de 99.9% du bruit de fond gamma résiduel.

Références

Liens externes

• (fr) site officiel
• (fr) Matière noire, énergie sombre : les Wimps (audio) : l'expérience EDELWEISS, les podcasts de Ciel et Espace radio, avec Gilles Gerbier et Eric Armengaud
• (en) [1], Identification of backgrounds in the EDELWEISS-I dark matter search experiment, The EDELWEISS Collaboration
• (en) [2], Measurement of the response of heat-and-ionization germanium detectors to nuclear recoils, The EDELWEISS Collaboration

Voir aussi

• Matière noire
• Supersymétrie
• Weakly interacting massive particles
• Gabriel Chardin

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