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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 . . .

11 - Aude

►Jusqu'au 21 septembre

EXPOSITION
"ESCALE EN MÉDITERRANÉE ROMAINE"
 
Après 10 années de recherches, et à travers plus de 150 objets archéologiques, l'exposition présente les principaux sites du système portuaire narbonnais, inscrit le port de Narbo Martius dans le réseau des ports de commerce romains de Méditerranée occidentale et détaille les activités et les métiers qui se développaient au sein de ce port. 

Musée Narbo Via
2 avenue André Mècle
11100 Narbonne
04 68 90 28 90
https://narbovia.fr

25 - Doubs

►Jusqu'au 9 mars 

EXPOSITION 
"À L'AFFÛT"

À travers son art, le photographe animalier et grand voyageur, exprime ses rêves, ses émotions et ses rencontres en captant l'instant, celui de l’animal au cœur de son environnement. 

Saline royale
Grande Rue
25610 Arc et Senans
03 81 54 45 13
www.salineroyale.com

34 - Hérault

►Jusqu'au 9 mars 

EXPOSITION
"TISSER L'IMAGINAIRE"

Construite en partenariat avec le Mobilier national, l’exposition explore la notion d’Imaginaires dans l’art de la tapisserie. Récit d’aventures imaginaires transposées, illustration de contes et de fables, exploration de sentiments, de visions de l’esprit, représentations d’ailleurs imaginés ou rêvés, l’exposition montre les différentes formes que peut prendre l’imaginaire selon les artistes, les époques.

Musée de Lodève
Square George Auric
34700 Lodève
04 67 88 86 10
www.museedelodeve.fr

38 - Isère

►Jusqu'au 30 mars 

EXPOSITION
"ARCABAS, L’ÉTOFFE HAUTE EN COULEUR"

Outre les toiles de jute et l’impression sur soie que l’on retrouve dans l’église de Saint-Hugues, l’exposition présente des objets textiles conçus par Arcabas. Dans son œuvre picturale dont certains tableaux sont également présentés, les motifs des costumes, les drapés témoignent d’une recherche plastique constante.

Musée arcabas en Chartreuse
Eglise de Saint-Hugues
38380 Saint-Pierre-de-Chartreuse
04 76 88 65 01
https://musees.isere.fr

42 - Loire

►Les 28 février & 6 mars

SPÉCIAL CARNAVAL
"CRÉATION D'ATTRAPE-RÊVES"

Apprends à réaliser ton propre attrape-rêves à partir de décorations textiles sur le thème du Carnaval ! Tu pourras le rapporter chez toi et l’utiliser pour éloigner les mauvais rêves !
Vendredi 28 février et jeudi 6 mars à 14h30. Dès 3 ans. Tarif : 5 €. Réservation obligatoire.

Musée du tissage et de la soierie
125 place Vaucansonp
42510 Bussières
04 77 27 33 95 
www.museedutissage.com

52 - Haute-Marne

►Jusqu’au 21 mars

EXPOSITION
"MANGER ET BOIRE À LA TABLE DE NOS ANCÊTRES"

Cette exposition permet au grand public d’approcher le quotidien de nos ancêtres à travers leur vaisselle de table. Elle a pour but de présenter la manière dont on mange et boit à travers les âges. Elle évoque également la place des hommes et des femmes, réservée à cette pratique sociale, avec le matériel et les instruments qui y sont associés. 

Musée de Saint-Dizier
17 rue de la Victoire 
52100 Saint-Dizier
03 25 07 31 50
www.saint-dizier.fr

►Le 15 mars

MUSÉE DE SAINT-DIZIER
"NUIT DE LA CHOUETTE" AVEC LE CPIE

De 14h30 à 16h30, découverte des principales espèces de rapaces nocturnes grâce à la collection du Musée et du jeu coopératif "Les petits secouristes" pour sensibiliser le public aux bons gestes à adopter auprès des animaux blessés ou malade. De 19h30 à 21h30, sortie nature dans les bois durant 1h–1h30 pour découvrir la vie nocturne de la forêt : écoute des chants des oiseaux et des bruits de la nuit, découvre des chauves-souris et des amphibiens de nos forêts. 

Réservations
CPIE Pays de Soulaines 
03 25 92 28 33
cpie.emmanuel.fery@gmail.com

62 - Pas-de-Calais

►Jusqu'au 8 mars

EXPOSITION
"PEINTURES DE JEAN-PAUL ROUX "

Le musée reçoit Jean-Paul Roux. L’artiste peint depuis une trentaine d’années à l’huile et au couteau associant grattages, aplats et couleurs avec la volonté d’épurer le sujet pour ne garder que l’essentiel.

Musée municipal Bruno Danvin
Rue Oscar Ricque
62130 Saint-Pol-sur-Ternoise
03 21 04 56 25 / 07 89 08 15 64 
www.saintpolsurternoise.fr

67 - Bas-Rhin

►Jusqu'au 6 avril

EXPOSITION PHOTOGRAPHIQUE
"MOSSI : UN VASE, DES SAVOIR-FAIRE"

Découvrez les différentes étapes de fabrication du vase Mossi au travers des images prises à la manufacture Lalique par Karine Faby, un des Meilleurs Ouvriers de France 2023 en photographie industrielle.

Musée Lalique
40 rue du Hochberg
67290 Wingen-sur-Moder
03 88 89 08 14
www.musee-lalique.com

71 - Saône-et-Loire

►Le 28 février

ESCAPADES NATURECENTRE EDEN
"LA VIE AUTOUR DES ARBRES"

Venez découvrir les arbres et leurs habitants. Lors de cette animation vous aurez l’occasion de (re)connaître les indices de présence laissés par les animaux qui vivent dans les arbres, la notion d’écosystème et l’importance d’une forêt diversifiée. A partir de 8 ans. De 10h00 à 12h30.

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

►Le 6 mars

ESCAPADES NATURECENTRE EDEN
"BALADE NATURALISTE À LA FORÊT DE LA GENÊTE"

C’est l’hiver, les branches des arbres sont nues. Mais les animaux de la forêt n’ont pas déserté. Arpentons la forêt de la Genête à la recherche de terriers de blaireaux. A partir de 8 ans. De 10h00 à 12h30.

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

75 - Paris

►Le 15 février

ATELIERS VACANCES SCOLAIRES
"APPRENTIS STRATÈGES"
Pour revivre le siège de Toulon en 1793, aux côtés de Napoléon, grâce au plan-relief de la ville et à un jeu de stratégie grâce à une grande carte tirée des archives du musée. De 8 à 14 ans.

Musée des Plans-Reliefs
129 rue de Grenelle 
75007 Paris    
01 45 51 92 45
www.museedesplansreliefs.culture.fr

►Le 19 février

ATELIERS VACANCES SCOLAIRES
"CONSTRUIS TA CITADELLE EN KAPLA"
Pour découvrir les fortifications et construire en famille une citadelle ou un fort en planchettes de bois Kapla. De 6 à 14 ans.

Musée des Plans-Reliefs
129 rue de Grenelle 
75007 Paris    
01 45 51 92 45
www.museedesplansreliefs.culture.fr

►Jusqu'au 11 mai 

EMPREINTE CARBONE, L'EXPO !

Conçue pour un public familial et articulée en trois parties, Empreinte carbone, l’expo ! vise à déconstruire les présupposés et les idées reçues sur notre empreinte carbone, à en examiner les mécanismes et à proposer aux visiteurs un espace de réflexion sur les actions à mener face au défi du changement climatique. 

Musée des Arts et Métiers
60 rue Réaumur
75003 Paris
01 53 01 82 63
www.arts-et-metiers.net

►Jusqu'au 16 novembre 

EXPOSITION
"PAULA PADANI. LA DANSE MIGRANTE : HAMBOURG, TEL-AVIV, PARIS"

L’exposition retrace le parcours méconnu de la danseuse Paula Padani (1913-2001) à travers plus de 250 photographies, affiches, documents et costumes. Par sa vision du mouvement comme force de vie, par sa capacité de rebond entre plusieurs pays et cultures, elle aura frayé de nouvelles routes pour son art et joué un rôle pionnier dans l’émergence de la danse contemporaine israélienne. 

Musée d’art et d’histoire du Judaïsme
71 rue du Temple
75001 Paris
01 53 01 86 53
www.mahj.org

84 - Vaucluse

►Jusqu'au 30 avril 

EXPOSITION 
"LES LIEUX IMAGINAIRES" 

A travers le travail de quelques artistes et architectes, nous nous interrogerons sur les façons et les lieux où nous vivrons dans l’avenir. Entre vénération du présent, visions futuristes et perspectives révolutionnaires offertes par l’intelligence artificielle, il s'agira de scénarios pour les nouvelles générations, fondés sur une profonde compréhension du passé.  

Château de Lourmarin
2 avenue Laurent Vibert
84160 Lourmarin
04 90 68 15 23
www.chateaudelourmarin.com

►Jusqu'au 10 juin

EXPOSITIONS
"CIRCUIT COURT & DÉTOURS"

Une exposition sous le signe du "local", et du mouvement. Paysages, scènes de la vie quotidienne, portraits et natures mortes, peintres des 19e et 20e siècles liés à Avignon ou sa région, œuvres issues de collections particulières des environs d'Avignon et du musée Vouland. 

Musée Louis Vouland
17 rue Victor-Hugo
84000 Avignon
04 90 86 03 79
www.vouland.com

►Jusqu'au 10 juin

EXPOSITIONS
JEAN-PIERRE GRAS (1879-1964)

Sculpteur et peintre avignonnais, Jean-Pierre Gras est le fils du félibre Félix Gras. Élève de Pierre Grivolas proche de nombreux artistes de la « nouvelle école d’Avignon », il est membre du Groupe des Treize.

 Musée Louis Vouland
17 rue Victor-Hugo
84000 Avignon
04 90 86 03 79
www.vouland.com

Lieux:
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