Suite à l'analyse de sa dernière série de données, la collaboration PICO est heureuse d'annoncer que l'expérience PICO-60 de détection de matière sombre grâce à une chambre à bulles, a établi une nouvelle limite sur la détection de la matière sombre, un des grands problèmes non résolus de la physique et cosmologie.
L'expérience PICO 60 dans la phase d'installation dans une des halles d'expérimentation de SNOLAB, à 2 km en-dessous de la surface de la terre, à Sudbury, en Ontario. Le coeur de l'expérience est la cuve de quartz transparente (milieu de l'image). Elle contient le fluide C3F8 (octofluoroprotone) en surchaufffe qui sert à la détection des particules de la matière sombre. (Photo: collaboration PICO)
Ce nouveau résultat constitue une amélioration par plus d'un ordre de grandeur (facteur 16) de la limite pour la section efficace de collision WIMP-proton dépendante du spin, par rapport aux limites déjà dominantes de PICO-2L et d'une première série de données obtenue avec PICO-60 CF3I en 2016.
L'expérience PICO-60 est actuellement la plus grande chambre à bulles en service au monde; elle est remplie de 45 litres de C3F8 (octafluoropropane) et est installée dans le laboratoire SNOLAB. Celui-ci est un installation de recherche sur l'astrophysique des particules située à 2 km sous terre dans la mine Creighton de la compagnie Vale, à Sudbury. Le détecteur utilise le fluide cible dans un état surchauffé de telle sorte qu'une interaction de particules de matière noire avec un noyau de fluor provoque le bouillonnement du fluide et crée une bulle dans la chambre.
L'expérience utilise des caméras numériques pour voir les bulles, ainsi que des transducteurs acoustiques afin d'améliorer la capacité de distinguer d'éventuelle particules de matière sombre par rapport à d'autres particules, lors de l'analyse des données.
La technologie des détecteurs surchauffés a été à l'avant-garde des recherches de l'interaction de la matière sombre dépendante du spin (DS), en utilisant diverses cibles de réfrigérant incluant CF3I, le C4F10 et le C2ClF5, et deux types principaux de détecteurs: les chambres à bulles et les détecteurs de gouttelettes de fluides en surchauffe. PICO est le leadeur mondial dans la détection directe de la matière noire pour les couplages dépendants du spin et développe présentement une version beaucoup plus grande de l'expérience avec jusqu'à 500 kg de masse active.
Ce travail a été soutenu par la Fondation canadienne pour l'innovation, le Conseil de recherche en science et en génie du Canada, la US National Science Foundation (subventions PHY-1242637, PHY-0919526, PHY-1205987 et PHY-1506377), et en partie par l'Institut Kavli de Physique Cosmologique à l'Université de Chicago (subvention PHY-1125897), une dotation de la Fondation Kavli et de son fondateur Fred Kavli.
Des étudiants du professeur Viktor Zacek prennent part à l’expérience PICO. De gauche à droite, Frédéric Girard (maîtrise), Arthur Plante (doctorat) et Frédéric Tardif (maîtrise), avec le détecteur de test "PICO-0.1", installé au laboratoire René J-A Lévesque de l’Université de Montréal.
À propos de PICO
16 Institutions participantes: University of Alberta; University of Chicago; Czech Technical University; Fermilab; Indiana University South Bend; Kavli Institute for Cosmological Physics; Laurentian University; Université de Montréal; Northwestern University; Universidad Nacional Autonoma de Mexico; Pacific Northwest National Laboratory; Queen's University at Kingston; Saha Institute of Nuclear Physics, India; SNOLAB; Universitat Politecnica de Valencia; Virginia Tech.
La collaboration PICO (formée par la fusion de deux groupes existants, PICASSO et COUPP) utilise des chambres à bulles et du liquide surchauffé pour rechercher la matière sombre. Le détecteur PICO-60 se compose d'une cloche de silice fondue fixée à un soufflet flexible en acier inoxydable, le tout immergé dans un récipient sous pression rempli de fluide hydraulique. Neuf transducteurs acoustiques piézoélectriques au zirconate de plomb (PZT) montés à l'extérieur de la cloche enregistrent les émissions acoustiques de la germination de bulles et quatre caméras CMOS rapides ayant une résolution de 2 mégapixels sont utilisées pour photographier la chambre.
Les chambres à bulles de PICO sont rendues insensibles aux interactions électromagnétiques en ajustant les températures de fonctionnement de l'expérience, tandis que les rayons alpha sont discriminées des interactions de la matière sombre par leur signal sonore, ce qui fait de ces détecteurs des outils très puissants dans la recherche de matière noire.
PICO exploite deux détecteurs en profondeur à SNOLAB: PICO-60, une chambre à bulles avec 52 kg de C3F8 et PICO-2L, une autre chambre à bulles avec 2,9 kg de C3F8.
À propos de SNOLAB
SNOLAB est l'installation de recherche sur l'astrophysique des particules située à 2 km sous terre dans la mine Creighton de la compagnie Vale, à Sudbury. Le laboratoire SNOLAB a été créée par l'agrandissement des aires de recherche souterraine à la suite de la célèbre expérience SNO (Observatoire des Neutrinos de Sudbury). L'ensemble du laboratoire est un espace ultra-propre pour limiter la radioactivité locale. Avec plus de profondeur et de propreté que n'importe quel autre laboratoire international, il présente le bruit de fond le plus bas en termes de rayons cosmiques, fournissant un endroit idéal pour des mesures de processus rares qui seraient autrement non observables.
À propos de la contribution de l'Université de Montréal
Le Groupe de physique des particules de l'Université de Montréal a été pionnier dans le développement de la détection de la matière sombre par la méthode des liquides surchauffées, dans le cadre de l'expérience PICASSO depuis la fin des années 90, notamment par la caractérisation du seuil de détection en fonction de la pression et de la température du détecteur. Le professeur Viktor Zacek et son équipe sont en outre à l'origine d'un élément-clé qui permet à l'expérience PICO d'être si performante : la discrimination du bruit de fond produit par les particules alpha, grâce à la détection des ondes acoustiques.