Coupp 60 : la matière noire fera-t-elle des bulles ?

Les données sur le rayonnement fossile fournies par Plancknécessitent plus que jamais l’existence de la matière noire pour être comprises. Une des expériences qui pourraient la mettre directement en évidence a été améliorée pour la rendre plus sensible. Il s’agit deChicagoland Underground Particle Physics (Coupp) 60.

Lorsque Albert Messiah a commencé son exploration du monde deshadrons, le plus puissant outil expérimental utilisé pour détecter de nouvelles particules et tenter de percer les mystères des forces nucléaires entre protons, neutrons et autres hypérons et mésons était la chambre à bulles.

Inventée par le prix Nobel de physique Donald Glaser, la chambre à bulles repose sur un principe simple. Du liquide transparent est porté presque à ébullition dans un cylindre plongé dans un champ magnétique et doté d'un piston. Celui-ci est brutalement relevé juste avant qu'un faisceau departicules ne pénètre dans le cylindre. Le liquide est alors dans un état dit surchauffé : bien que la température soit un peu au-delà de son point d'ébullition, c'est uniquement sur le passage des particules que des bulles de gaz vont se former et croître rapidement.

Coupp, ou des Wimp qui font des bulles

On peut alors photographier les trajectoires des particules et remonter à certaines de leurs caractéristiques, comme leur charge et leur masse, à l'aide des formules bien connues de la relativité restreinte pour des particules chargées dans un champ magnétique.

Délaissées au profit de dispositifs plus efficaces, les chambre à bulles ont été remises au goût du jour pour chasser des particules de matière noire. Une première tentative a été faite ces dernières années à l'aide de Coupp 4.

Dans cette vidéo des éditions De Boeck (pour lesquelles il a écrit ou traduit plusieurs ouvrages), Richard Taillet, en compagnie de Claude Aslangul, répond à plusieurs questions qui sont, par exemple : « Pourriez-vous nous expliquer ce qu'est la matière noire ? », ou : « Quels sont les candidats possibles formant la matière noire ? ». Richard Taillet explique en outre comment le modèle de la matière noire froide permet de rendre compte d’observations énigmatiques dans le monde des galaxies. © Éditions De Boeck

L’expérience Coupp 4 initiale était située à environ 100 mètres sous terre dans un tunnel du Fermilab. Un cylindre en verre y était rempli d'un litre environ de CF₃I sous forme liquide, un composé habituellement utilisé comme extincteur d'incendie. Si une particule de matière noire, en particulier une Wimp, entrait en collision avec un noyau dans le fluide, le recul du noyau chaufferait le fluide environnant, qui bouillonnerait et formerait une petite bulle. La bulle dans la chambre se développerait jusqu'à atteindre environ un millimètre. Elle pourrait alors être photographiée par des caméras numériques.

Détecteur dans une mine à deux kilomètres de profondeur

Pas plus qu’avec l’expérience AMS 02, il n’a été possible de détecter un signal sans ambiguïté de l’existence de particules de matière noire dans laVoie lactée. Bien que les données du satellite Planck confortent particulièrement bien le modèle de la matière noire froide qui permet de rendre compte d’observations énigmatiques dans le monde des galaxies, il n’en reste pas moins que l’alternative à ce modèle, la théorie Mond, reste toujours crédible.

Pour tenter de départager ces deux explications, les physiciens viennent de mettre en service une version plus volumineuse et plus sensible de Coupp 4. Elle contient une masse plus importante (60 kg) de CF₃I, et c’est pourquoi elle s’appelle Coupp 60. Elle est enterrée à plus de deux kilomètres de la surface de la Terre, dans une mine de nickel à 25 kilomètres de Grand Sudbury, en Ontario, au Canada. Elle fait partie deSnolab, un ensemble d’expériences occupant le site initialement dédié à l'observatoire de neutrinos de Sudbury (ONS, ou SNO pour Sudbury Neutrino Observatory).

En bas à gauche de cette image, on peut voir une sorte de petit hémisphère noire. Il s'agit de la première bulle détectée dans Coupp 60. © Snolab

À cette profondeur, Coupp est en partie protégée du bruit de fond desrayons cosmiques ordinaires. Il y a ainsi beaucoup moins de neutrons produits par les collisions des particules cosmiques avec les noyaux environnants. Malgré tout, il reste encore des particules alpha qui miment les effets des particules de matière noire neutres, mais peuvent tout de même en être distinguées. En effet, comme l’expérience Picasso l’a appris aux chasseurs de matière noire, le bruit que fait une bulle générée par une particule alpha en éclatant a une forme bien caractéristique.

Coupp 500 déjà dans les cartons

Par sa nature même, Coupp est insensible à une autre forme deradioactivité (celle des désintégrations bêta), ainsi qu’à l’effet Compton, découlant des collisions avec des photons gamma. Ce n’est pas le cas des autres types de détecteurs, qui doivent batailler avec le bruit de fond pour tenter d’extraire un signal clair produit par des interactions avec des particules de matière noire. Un autre avantage de Coupp est qu'elle permet d'avoir des informations sur le spin des particules de matière noire.

Tout ceci sera-t-il suffisant pour enfin détecter les particules de matière noire ? Nul ne le sait, et une version encore plus massive de l'expérience,Coupp 500, est déjà à l'étude.

Une vue de Coupp 60 destinée à détecter des particules de matière noire. L'expérience contient environ 30 litres de CF₃I pesant 60 kg. © Snolab