Un nouveau détecteur, d’une sensibilité sans précédent, construit à partir d’une technologie mise au point par le Prof. Tomer Volansky de l’Ecole de physique et d’astronomie de l'Université de Tel-Aviv en collaboration avec des chercheurs des États-Unis et d'Argentine, pourrait conduire à une percée dans la découverte des particules de la matière noire, qui compose 80% de l’univers, très difficiles à localiser en raison de leur faible masse. Actuellement enfoui profondément sous la terre au Canada, le détecteur, du nom de Skipper-CCD, construit par le partenariat international SENSEI, devrait donner ses premiers résultats dans l'année à venir. Le Prof. Volansky et ses collègues ont récemment remporté le prestigieux Prix Breakthrough – Nouveaux Horizons en Physique 2021 pour cette avancée technologique.
A la recherche ont également participé le Dr. Liron Barak et le Prof. Erez Etzion de l’Ecole de physique de l’UTA.
D’après les chercheurs, le nouveau dispositif présente une sensibilité élevée et le bruit de fond le plus bas jamais mesuré dans un détecteur silicium.
La nature de la matière noire est l'un des grands mystères de la physique moderne qui restent encore sans réponse. Isaac Newton a été le premier à expliquer le phénomène de la gravité qui maintient les étoiles en mouvement les unes autour des autres. Sa théorie a été développée et généralisée par Albert Einstein dans le cadre de la théorie de la relativité générale. Cependant, l’analyse des observations astronomiques du mouvement des galaxies et des étoiles montre que ces théories ne peuvent être confirmées que par l’existence d’une matière qui compose la grande majorité de l'univers, différente de la matière standard que nous connaissons et cause principale de la gravité, qu'on appelle la matière noire.
Une sensibilité record aux signaux faibles
L’existence de la matière noire explique par exemple le fait que les étoiles ne ‘s'échappent’ pas de leurs galaxies. La quantité de matière noire dans l'univers nécessaire pour expliquer les observations astronomiques est cinq fois supérieure à celle de la matière apparente composée des atomes que nous connaissons. En d'autres termes, la physique est encore à la recherche de ce qui constitue plus de 80% de l'univers. Malgré des études incessantes au moyen des accélérateurs de particules, des observations astronomiques et de détecteurs spécifiques, la science n'a pas encore réussi à déchiffrer l’identité des particules de la matière noire : quelle est leur masse, quelles forces (en plus de la gravité) agissent sur elles, comment interagissent-elles avec la matière visible et comment se sont-elles formées dans l'ancien univers, il y a plus de 13 milliards d'années ?
L’une des façons de rechercher la matière noire est d'enterrer des détecteurs particulièrement sensibles profondément sous la terre, où ils sont le mieux isolés des particules de rayonnement cosmique (particules de haute énergie qui atteignent le globe terrestre depuis l'espace). Selon la théorie standard, nous côtoyons à tout instant des milliards de particules de matière noire, et ce en raison de la rotation de la terre autour du soleil et de celle de cet astre lui-même autour du centre de la galaxie. Si cette substance interagit, même de manière très faible, avec le détecteur, de temps en temps, l’une des particules de cette matière noire va venir heurter l'une des particules qui composent le détecteur, en transférant une quantité minuscule d'énergie, que les scientifiques tentent de localiser.
Cependant, la matière noire étant extrêmement légère, la quantité d'énergie qu'elle transfère est infime, et rend donc la tâche sinon impossible, du moins extrêmement difficile. Par conséquent, le principal défi est le développement de détecteurs hautement sensibles, défi qui nécessite le développement de nouvelles approches de détection, permettant une sensibilité record aux signaux faibles et la possibilité de les distinguer des signaux simulés.
Une nouvelle étape passionnante dans la recherche sur la matière noire
Il y a une dizaine d'années, le Prof. Tomer Volansky, en collaboration avec des partenaires américains, a proposé une nouvelle méthode particulièrement sensible, qui scrute l'interaction de la matière noire avec les électrons, ces particules subatomiques qui gravitent autour des noyaux atomiques, permettant ainsi la recherche des particules de la matière noire légère jusque-là considérées comme impossible à détecter.
Suite à ce développement conceptuel, un nouveau détecteur a été récemment mis au point par le partenariat international SENSEI, auquel participent également des chercheurs de l'Université de Tel-Aviv. Le nouveau détecteur, appelé Skipper-CCD, permet de détecter la libération d'un électron isolé parmi les milliards de milliards d'électrons qui gravitent dedans. L'installation du détecteur a démarré au cours des derniers mois dans le laboratoire souterrain SNOLAB au Canada et les premiers résultats sont attendus pour l'année prochaine, ouvrant une nouvelle étape passionnante dans la recherche sur la matière noire.
À la suite de ce développement révolutionnaire, le Prof. Tomer Volanski a remporté le prestigieux prix Breakthrough - New Horizons en physique 2021. Attribué par la Fondation Breakthrough, fondée en 2012 par le philanthrope scientifique Yuri Milner dans le but de récompenser les contributions majeures à l’avancement de la connaissance humaine, le prix est décerné chaque année à des chercheurs dans les domaines des mathématiques, de la physique et des sciences de la vie.
Photos :
- Le Prof. Tomer volansky
- Les chercheurs du partenariat SENSEI (le Prof. Volanski est au centre en T-shirt orange)
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