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Les cristaux souterrains, des détecteurs de matière noire potentiels
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Les cristaux souterrains, des détecteurs de matière noire potentiels

Des minéraux cachés dans les profondeurs de la Terre portent peut-être la marque de collisions avec la matière noire – cette substance de nature inconnue qui, selon les cosmologistes, constituerait la majeure partie de la matière totale de l’Univers. Les expériences pour observer ces traces pourraient concurrencer ou compléter les efforts en cours pour détecter directement la matière noire.

Les scientifiques, à l’aide de détecteurs élaborés, ensevelis profondément sous le sol, cherchent des signes de présence de matière noire depuis des décennies. Récemment, la physicienne Katherine Freese et ses collègues de l’université du Michigan, à Ann Arbor, ont suggéré que l'on pourrait utiliser certains minéraux tels que la halite (nommée plus couramment sel gemme, et composée de chlorure de sodium NaCl) ou la zabuyelite (carbonate de lithium, de formule Li2CO3) comme détecteurs « prêts à l’emploi ».

Les astronomes détectent l’influence gravitationnelle de la matière noire en analysant le mouvement des galaxies et des amas galactiques, mais ils ne sont jamais parvenus à l’observer directement. L’hypothèse la plus répandue est que la matière noire est constituée de particules massives (des WIMPS, acronyme de Weakly Interacting Massive Particles) qui n’interagissent avec la matière « ordinaire » quasiment que par le biais de la gravité.

La détection directe de la matière noire tente de repérer les faibles effets de collisions entre les wimps et les noyaux des atomes de matériaux tels que le germanium, le silicone ou l’iodure de sodium, contenus dans un détecteur.

De telles expériences doivent être réalisées profondément sous terre, pour échapper aux rayons cosmiques qui bombardent la surface terrestre. Ces particules énergétiques peuvent elles aussi laisser de faibles traces dans le matériau du détecteur, ce qui brouillerait tout signal potentiel de matière noire. Pour l’instant, une seule expérience, DAMA/LIBRA au laboratoire national du Gran Sasso, en Italie, prétend avoir détecté de la matière noire, mais cette allégation n’a pas été vérifiée.

Creuser très profond

Katherine Freese et ses collègues font remarquer que la halite et la zabuyelite sont enfouies profondément dans la croûte terrestre, et sont donc protégées des rayons cosmiques. D’après l’étude menée par l’équipe, publiée le mois dernier sur le serveur de prépublications arXiv, si un wimp entrait en collision avec le noyau d’un atome (de sodium ou de chlore par exemple), le recul de ce dernier laisserait dans le minéral une trace d’une longueur allant de 1 à 1 000 nanomètres.

Une expérience consisterait à extraire ces minéraux – vieux de 500 millions d’années environ – à partir de puits de forage de plusieurs kilomètres de long. Ces puits existent déjà pour des études géologiques ou pour la prospection d’hydrocarbures. Les physiciens fendraient ces roches extraites des puits, pour analyser leurs surfaces à l’aide d’un microscope électronique ou à force atomique, et repérer les traces laissées par le recul des noyaux. Ils pourraient également utiliser des scanners 3D à rayons X ou ultraviolets, afin d’étudier plus rapidement de plus gros fragments de minéraux, mais avec une résolution plus faible.

Des collisions potentielles avec les wimps devraient créer des signatures différentes selon les éléments de chaque minéral, et fournir ainsi différentes sources d’informations. « Par exemple, le chlorure de sodium est composé à la fois de sodium et de chlore, ce qui donne de multiples signaux pour un seul minéral », affirme Katherine Freese. « Si l'on trouve effectivement des signaux provenant de wimps, alors il sera possible de déterminer de quelle sorte de wimp il s’agit, grâce à sa diffusion à travers le sodium et le chlore. »

Une identité potentiellement fausse

C’est une idée très prometteuse, s’enthousiasme Dan Hooper, physicien au Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory) situé à Batavia, dans l’Illinois. « Bien qu’il y ait encore de nombreux points à revoir avant qu’un tel programme de recherche soit mis en œuvre, je ne vois rien qui pourrait empêcher son succès, au moins sur le principe ».

D’autres chercheurs restent plus prudents, comme Juan Collar, de l’université de Chicago. Au milieu des années 1990, les physiciens avaient pensé au mica pour des recherches similaires de traces laissées par la matière noire. Mais les travaux de Juan Collar qui suivirent ont montré que la radioactivité de l’uranium peut créer dans le mica des traces impossibles à distinguer de celles laissées par les wimps. Il craint le même sort pour la proposition de Katherine Freese.  

« Ce problème ne se limite pas qu’au mica, mais concerne tous les minéraux qui contiennent naturellement de l’uranium et du thorium », poursuit-il. « Katherine Freese et ses collègues trouveront peut-être des minéraux où ces traces sont moins visibles, mais je pense que pour l’instant, leurs affirmations sont trop optimistes ».

Katherine Freese reconnaît que l’uranium pose problème. Mais elle et son équipe ne savent pas encore si les minéraux étudiés contiendront eux-aussi de l’uranium ou du thorium. Elle ajoute qu’il serait possible d’identifier le signal caractéristique d’une bouffée de radioactivité, et de l’ignorer. « Il faut en tout cas le faire, et tenter d’en savoir plus », conclut-elle.  


Source : Pour la science
Crédit : Shutterstock/Vladislav Gajic

Certains minéraux comme la halite (cristal translucide), enfouis profondément dans la croûte terrestre, pourraient porter la trace d’interactions avec la matière noire.

Les cristaux souterrains, des détecteurs de matière noire potentiels Actualités

Les cristaux souterrains, des détecteurs de matière noire potentiels

Des minéraux cachés dans les profondeurs de la Terre portent peut-être la marque de collisions avec la matière noire – cette substance de nature inconnue qui, selon les cosmologistes, constituerait la majeure partie de la matière totale de l’Univers. Les expériences pour observer ces traces pourraient concurrencer ou compléter les efforts en cours pour détecter directement la matière noire.

Les scientifiques, à l’aide de détecteurs élaborés, ensevelis profondément sous le sol, cherchent des signes de présence de matière noire depuis des décennies. Récemment, la physicienne Katherine Freese et ses collègues de l’université du Michigan, à Ann Arbor, ont suggéré que l'on pourrait utiliser certains minéraux tels que la halite (nommée plus couramment sel gemme, et composée de chlorure de sodium NaCl) ou la zabuyelite (carbonate de lithium, de formule Li2CO3) comme détecteurs « prêts à l’emploi ».

Les astronomes détectent l’influence gravitationnelle de la matière noire en analysant le mouvement des galaxies et des amas galactiques, mais ils ne sont jamais parvenus à l’observer directement. L’hypothèse la plus répandue est que la matière noire est constituée de particules massives (des WIMPS, acronyme de Weakly Interacting Massive Particles) qui n’interagissent avec la matière « ordinaire » quasiment que par le biais de la gravité.

La détection directe de la matière noire tente de repérer les faibles effets de collisions entre les wimps et les noyaux des atomes de matériaux tels que le germanium, le silicone ou l’iodure de sodium, contenus dans un détecteur.

De telles expériences doivent être réalisées profondément sous terre, pour échapper aux rayons cosmiques qui bombardent la surface terrestre. Ces particules énergétiques peuvent elles aussi laisser de faibles traces dans le matériau du détecteur, ce qui brouillerait tout signal potentiel de matière noire. Pour l’instant, une seule expérience, DAMA/LIBRA au laboratoire national du Gran Sasso, en Italie, prétend avoir détecté de la matière noire, mais cette allégation n’a pas été vérifiée.

Creuser très profond

Katherine Freese et ses collègues font remarquer que la halite et la zabuyelite sont enfouies profondément dans la croûte terrestre, et sont donc protégées des rayons cosmiques. D’après l’étude menée par l’équipe, publiée le mois dernier sur le serveur de prépublications arXiv, si un wimp entrait en collision avec le noyau d’un atome (de sodium ou de chlore par exemple), le recul de ce dernier laisserait dans le minéral une trace d’une longueur allant de 1 à 1 000 nanomètres.

Une expérience consisterait à extraire ces minéraux – vieux de 500 millions d’années environ – à partir de puits de forage de plusieurs kilomètres de long. Ces puits existent déjà pour des études géologiques ou pour la prospection d’hydrocarbures. Les physiciens fendraient ces roches extraites des puits, pour analyser leurs surfaces à l’aide d’un microscope électronique ou à force atomique, et repérer les traces laissées par le recul des noyaux. Ils pourraient également utiliser des scanners 3D à rayons X ou ultraviolets, afin d’étudier plus rapidement de plus gros fragments de minéraux, mais avec une résolution plus faible.

Des collisions potentielles avec les wimps devraient créer des signatures différentes selon les éléments de chaque minéral, et fournir ainsi différentes sources d’informations. « Par exemple, le chlorure de sodium est composé à la fois de sodium et de chlore, ce qui donne de multiples signaux pour un seul minéral », affirme Katherine Freese. « Si l'on trouve effectivement des signaux provenant de wimps, alors il sera possible de déterminer de quelle sorte de wimp il s’agit, grâce à sa diffusion à travers le sodium et le chlore. »

Une identité potentiellement fausse

C’est une idée très prometteuse, s’enthousiasme Dan Hooper, physicien au Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory) situé à Batavia, dans l’Illinois. « Bien qu’il y ait encore de nombreux points à revoir avant qu’un tel programme de recherche soit mis en œuvre, je ne vois rien qui pourrait empêcher son succès, au moins sur le principe ».

D’autres chercheurs restent plus prudents, comme Juan Collar, de l’université de Chicago. Au milieu des années 1990, les physiciens avaient pensé au mica pour des recherches similaires de traces laissées par la matière noire. Mais les travaux de Juan Collar qui suivirent ont montré que la radioactivité de l’uranium peut créer dans le mica des traces impossibles à distinguer de celles laissées par les wimps. Il craint le même sort pour la proposition de Katherine Freese.  

« Ce problème ne se limite pas qu’au mica, mais concerne tous les minéraux qui contiennent naturellement de l’uranium et du thorium », poursuit-il. « Katherine Freese et ses collègues trouveront peut-être des minéraux où ces traces sont moins visibles, mais je pense que pour l’instant, leurs affirmations sont trop optimistes ».

Katherine Freese reconnaît que l’uranium pose problème. Mais elle et son équipe ne savent pas encore si les minéraux étudiés contiendront eux-aussi de l’uranium ou du thorium. Elle ajoute qu’il serait possible d’identifier le signal caractéristique d’une bouffée de radioactivité, et de l’ignorer. « Il faut en tout cas le faire, et tenter d’en savoir plus », conclut-elle.  


Source : Pour la science
Crédit : Shutterstock/Vladislav Gajic

Certains minéraux comme la halite (cristal translucide), enfouis profondément dans la croûte terrestre, pourraient porter la trace d’interactions avec la matière noire.

LE GUIDE Naturellement

Agenda . . .

03 - Allier

Du 1er juin au 30 septembre

EXPOSITION
"HALTE AUX ENVAHISSEURS"

Découvrez les espèces exotiques envahissantes installées sur le trrritoire de Montluçon Communauté. Des conseils sont également donnés pour les identifier et éviter leur propagation.

Maison de la Combraille
Place Pierre Bitard
03420 Marcillat-en-Combraille
04 70 51 10 23
maisondelacombraille.over-blog.com


07 - Ardèche

Du 17 mai au 11 octobre

CANOE KAYAK EN ARDECHE

Canoë Kayak 07 propose cette saison des journées découvertes permettant de découvrir cette activité gratuitement.
Les 17 et 24 mai, 7, 14, 21, 28 juin, 5 juillet, 30 aout, 6, 13, 20, 27 septembre et 4, 11 octobre.
Mini-descente du pont d’Arc, 8 km, le matin à 9h à AM à 15h, sur réservation au 04 75 37 17 79 ou par email : charmasson.yves@wanadoo.fr

Canoë Kayak 07
Quartier de Châmes
07150 Vallon Pont d’Arc
04 75 88 03 06
www.canoekayak07.com


11 - Aude

Du 30 avril au 4 mai  

ATELIER FOUILLE ET DÉMONSTRATION DE TOURNAGE

Accompagnés par une potière et un archéologue spécialiste de la construction terre, les enfants sont invités à plonger les mains dans l’argile pour découvrir tous les potentiels de la matière, du modelage et tournage de poteries à la construction en terre. Enfants à partir de 6 ans.

Amphoralis
Allée des potiers
11590 Sallèles-d’Aude
04 68 46 89 48
www.amphoralis.com


Le 5 mai

CONCERT
UXLO BRIGA

Le chant des roches : un trio à quatre, Uxlo Briga, présente son premier concert audioscopique. Dimanche 5 mai à 17h. Gratuit.

Musée du Quercorb
16 rue Barry du Lion
11230 Puivert
09 67 27 81 51
www.museequercorb.com


2 juin

CONCERT
CANTO-LOU Chants occitans

Chœur mixte, Canto-Lou interprète les chants traditionnels du Languedoc, dans une expression rustique. Dimanche 2 juin. Gratuit.

Musée du Quercorb
16 rue Barry du Lion
11230 Puivert
09 67 27 81 51
www.museequercorb.com


21 - Côte d'Or

Du 5 avril au 17 novembre

EXPOSITION
"NATURE INCOGNITO" : la face cachée des villes

Vous me reconnaissez ? Je fais partie des millions d’espèces sauvages, animales ou végétales qui vivent dans les villes, tout près de chez nous et qui, pour la plupart, demeurent « Incognito » !
La nouvelle exposition du Jardin des sciences & Biodiversité vous invite à voir la ville autrement

Le Jardin des Sciences
Parc de l’Arquebuse
1 avenue Albert 1er & 14 rue Jehan de Marville
21000 Dijon
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


37 - Indre-et-Loire

Du 2 mai au 2 septembre

EXPOSITIONS
"1519, LA MORT DE LÉONARD DE VINCI"

La naissance d’un mythe » dans les collections de la Bibliothèque Nationale de France.

Château royal d’Amboise
Montée de l’Emir Abd el Kader
37400 Amboise
02 47 57 00 98
www.chateau-amboise.com


40 - Landes

Les 5, 6 et 7 juillet

FÊTE DE LA PRÉHISTOIRE

Tout le village se met à l’heure de la Préhistoire avec de nombreux ateliers, des conférences, un marché artisanal, des animations pour les enfants, des spectacles et des concerts !

Maison de la Dame
404 rue du Musée
40330 Brassempouy
05 58 89 21 73
www.prehistoire-brassempouy.fr


Le 13 août  

REPAS PRÉHISTORIQUE

L'association les Puits dans le désert propose de découvrir les modes de cuisson et les saveurs de la préhistoire. Sur réservation.

Maison de la Dame
404 rue du Musée
40330 Brassempouy
05 58 89 21 73
www.prehistoire-brassempouy.fr


44 - Loire Atlantique

Du 8 au 19 mai 2019

EXPOSITION
"LES FLORALIES INTERNATIONALES DE NANTES"

Lors de cette prestigieuse manifestation florale, les visiteurs seront invités à découvrir dans le cadre exceptionnel du Parc de la Beaujoire des scènes ornementales élaborées par des professionnels et des amateurs passionnés.
Une représentation florale de haut niveau qui contribuera à les étonner, les dépayser, les faire rêver...

Floralies Internationales
Parc des Expositions de la Beaujoire
Route de Saint-Joseph de Porterie
44300 Nantes
http://comite-des-floralies.com/fre/


50 - Manche

Du 9 février au 2 juin

EXPOSITION
"FABULEUX OUTILS DE JARDIN"

Guillaume Pellerin a rassemblé pendant plus de 40 ans dans son jardin botanique de Vauville une très grande collection d’outils de jardin anciens. Cette exposition vous dévoile tous les secrets d’une culture aussi ancienne que l’humanité, à travers les outils classés selon leur fonction, de la préparation du sol à la plantation, l’arrosage ou encore la récolte. Gratuit.

Le Manoir du Tourp
Omonville-la-Rogue
50440 La Hague  
02 33 01 85 89
www.letourp.com


62 - Pas-de-Calais

Du 18 mai au 12 juin

FESTIVAL DE L’ARBRE ET DES CHEMINS RURAUX

Les Hauts-de-France mettent à l'honneur leurs forêts, bois et massifs à travers un programme foisonnant de sorties nature et d'animations portées par des associations, des entreprises, des habitants... En famille ou entre amis, vivez au rythme du Festival de l'arbre et des chemins ruraux.

Moulin Musée Wintenberger
Place du Château
62270 Frévent
06 33 65 26 06 / 07 89 81 25 93
www.villedefrevent.com


71 - Saône et Loire

Du 6 avril au 3 novembre

EXPOSITION
"VU, PAS VU, PAS PRIS …"
Mimétisme et camouflage dans la nature

Manger ou être mangé... la lutte pour la survie dans le monde animal passe par différents stratagèmes. Illustrations, animaux vivants ou naturalisés, tout est mis en œuvre dans l’exposition pour que mimétisme, camouflage, et dissimulation n’aient plus de secret pour vous.

Centre Eden
26 rue de l’Eglise
71290 Cuisery
03 85 27 08 00
www.centre-eden71.fr

Lieux:

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