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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 . . .

07 - Adèche

Du 1er mai au 15 novembre
Exposition "ENTRE TERRE ET EAU"

Crises sociales et environnementales dans le Delta du Danube en Roumanie, à la fin du Néolithique. A près de 2 000 km de l'Ardèche, comment se passe la fin de la Préhistoire au bord du fleuve et de la Mer Noire ? Une exposition franco-roumaine inédite, interactive et immersive, à découvrir à la Cité de la Préhistoire !

Grand Site de l’Aven d’Orgnac
Place Robert de Joly
07150 Orgnac–L’Aven
04 75 38 65 10
www.orgnac.com


14 - Calvados

Jusqu’au 29 février 2020
Exposition
"LES REQUINS ! 430 MILLIONS D’ANNÉES D’ÉVOLUTION"

Découvrez la grande diversité des requins, allant d’espèces de petites tailles, jusqu’aux poissons géants dont les dents sont plus grandes qu’une main humaine.
Cette exposition évoque également le grand danger auquel ils sont confrontés : l’Homme. Venez découvrir de nouvelles espèces et apprendre en vous amusant grâce à une fresque digitale.

Paléospace
Avenue Jean Moulin
14640 Villers-sur-Mer
02 31 81 77 60
www.paleospace-villers.fr


21 - Côte d'Or

Jusqu’au 6 janvier 2019
Exposition "GRAINES"

Elles sont partout… Du petit-déjeuner au coucher, dans nos vêtements, dans notre alimentation, dans nos parcs et jardins… sans même y penser elles font partie de notre quotidien et sont un pilier de la biodiversité végétale.
Cette nouvelle exposition, très ludique, propose à tous les visiteurs de découvrir une grande variété de graines d’ici et d’ailleurs et de s’interroger sur leurs enjeux dans un contexte de changement climatique et sociétal.

Le Jardin des sciences
Parc de l’Arquebuse
21000 Dijon
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


Jusqu’au 31 mars 2019

Exposition de plein air
"IMPACTS ! HOMME-NATURE"

Venez découvrir les relations homme-nature au plus près du vivant !
De l’évolution du comportement animal à celui du climat et des milieux naturels, les chercheurs de Bourgogne et de Franche-Comté tentent de comprendre le rôle de l’Homme dans ces changements. Traversez ville, campagne et forêt et voyagez jusqu’aux pôles pour observer ces recherches in vivo !

Le Jardin des sciences
Parc de l’Arquebuse
21000 Dijon
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


25 - Doubs

Du 23 novembre 2018 au 22 avril 2019
Exposition « FROID »

Véritable plongée dans l’univers du froid, l’exposition met en scène les multiples facettes du froid et plonge le visiteur dans des univers différents :
vie quotidienne, milieux extrêmes, biologie, physique, chimie, recherche, technologie, science-fiction... et l’invite à expérimenter.

Saline royale
Grande rue
25610 Arc-et-Senans
03 81 54 45 45
www.salineroyale.com


41 - Loir et Cher

Jusqu'au 31 décembre
LES JARDINS DE CHAMBORD

Le château a retrouvé en 2017 ses jardins à la française du XVIIIe siècle avec six hectares et demi au pied de la façade nord du château : plus de 600 arbres, 800 arbustes, 200 rosiers, 15 250 plantes...

Office de Tourisme de Blois-Chambord
23 place du château
41000 Blois
02 54 90 41 41
www.bloischambord.com


61 - Orne

Du 13 octobre au 23 décembre
Exposition : "LES HAIES", Joël Auxenfans

Ecomusée du Perche
Prieuré de Sainte-Gauburge
61130 Saint-Cyr-la-Rosiere
02 33 73 48 06
www.ecomuseeduperche.fr


76 - Seine Maritime

Du 15 septembre au 15 décembre
Exposition "L’abbé Pierre photographe, un regard sur le monde"

L'exposition présente soixante-dix photographies inédites prises par l’abbé Pierre lui-même dans de nombreux pays. Elles témoignent de la vitalité des personnes pauvres dans le monde et dévoilent le regard lucide et plein d’amour.

Centre abbé Pierre - Emmaüs
Route d'Emmaüs
76690 Esteville
02 35 23 87 76
www.centre-abbe-pierre-emmaus.org

Lieux:

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