Dans une mine d'or abandonnée située à 1,6 km de Leed, dans le Dakota du Sud, des ingénieurs et physiciens de l'Université du Wisconsin-Madison travaillent sur une chambre contenant 10 tonnes de xénon liquide. Ils espèrent que dans une mine souterraine, où l'espace expérimental sera protégé des particules solaires et du rayonnement cosmique, ils pourront détecter la matière noire pour la première fois.
Nous avons déjà publié une analyse détaillée de ce que peut être la mystérieuse matière noire du point de vue de la physique moderne. L'hypothèse initiale est apparue dans les années 1930, lorsque les astronomes ont réalisé que la galaxie n'avait pas la force de gravité pour maintenir sa structure uniquement en raison de ses sources visibles - étoiles, planètes, trous noirs, etc. Directement la matière noire elle-même avant jusqu'à présent, il n'a pas été possible de détecter, son existence n'a été déduite qu'à l'aide de modèles mathématiques gravitationnels. Cependant, les astronomes pensent qu'en fait, il peut y avoir cinq fois plus de matière noire dans l'univers que de matière visible. L'équipe UW-Madison a décidé de mettre fin à cette incertitude.
L'expérience de la mine d'or du Dakota du Sud s'appelle LUX-ZEPLIN, ou LZ en abrégé. Il s'agit d'une version étendue de la précédente expérience Large Underground Xenon (LUX) et du programme de matière noire ZEPLIN. L'idée est de détecter une particule de matière noire lorsqu'elle interagit avec un atome de xénon, provoquant une réaction en chaîne dans la chambre, qui finira par libérer de la lumière ultraviolette et libérer une rafale d'électrons. Immédiatement après que le xénon liquide s'est enflammé, le gaz xénon dans la chambre au-dessus réagira en émettant des électrons et en émettant une seconde impulsion de lumière plus brillante. Les physiciens travaillant sur le projet le décrivent comme une «cloche» qui sonnera lorsqu'elle sera exposée à une particule de matière noire.
"Les particules de matière noire peuvent être ici dans la pièce, passer par votre tête et éventuellement entrer en collision avec certains atomes", a déclaré Duncan Carlsmith, professeur de physique à UW-Madison, dans un communiqué de presse.
Représentation schématique du laboratoire souterrain LUX-ZEPLIN
Plus tôt ce mois-ci, le ministère de l'Énergie a approuvé les dernières étapes de la construction de la LZ dans une mine d'or, officiellement dénommée Sanford Underground Research Center. Pendant ce temps, les chercheurs travaillent avec un appareil prototype plus petit pour s'assurer que lorsque le «grand» LZ sera lancé en 2020, il ne sera pas sensible aux interférences.
Pour s'assurer que rien d'autre que de la matière noire n'interagit avec le xénon liquide, l'équipe construit deux chambres externes conçues pour détecter et éliminer toutes les particules contaminantes. La chambre sera remplie de 10 tonnes de xénon liquide et de plus de 500 photomultiplicateurs - tubes à vide, qui sont des détecteurs de lumière ultrasensibles et surveilleront la LZ. Si autre chose que de la matière noire casse le reste du xénon, les détecteurs devront montrer qu'il s'agit d'une fausse alarme.
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Dès que l'installation dans la mine souterraine est prête et que l'expérience est lancée, il ne reste plus qu'à attendre. Les physiciens rechercheront des particules massives à faible interaction, ou WIMP, qui sont les éléments de base hypothétiques de la matière noire. On pense que la plupart du temps, les WIMP traversent la matière ordinaire sans aucune trace, mais ils peuvent parfois entrer en collision avec des particules ordinaires.
Les participants au projet LUX-ZEPLIN ont assemblé une copie miniature de la future installation. Avant de mener une expérience globale, vous devez la tester sur un modèle plus petit et plus coûteux.
LZ restera allumé pendant au moins cinq ans, mais tout le monde espère qu'il sera capable de détecter les WIMP pour la première fois, ou de les exclure d'une autre manière en tant que substance éthérée qui constitue la matière noire. D'autres expériences au IceCube Center for Particle Astrophysics du Wisconsin, ainsi que des projets en Italie et en Chine, mènent leurs propres expériences pour trouver des preuves directes de l'existence de la matière noire. Les physiciens de l'UW-Madison utilisent également le grand collisionneur de hadrons pour tenter de détecter la matière noire, qui est créée lorsque des particules à haute énergie entrent en collision. La course aux découvreurs de la matière noire bat son plein!
Si nous pouvons trouver et mesurer cette substance, nous parviendrons à une meilleure compréhension du fonctionnement de l'univers que jamais auparavant. Il est possible que la matière noire représente plus de 25% de tout le cosmos, et une fois que nous découvrons les propriétés spécifiques du matériau, elle peut révéler des secrets qui nous sont longtemps restés cachés.
