Nouvelles technologies pour la détection de la matière noire
La quasi-totalité de l’énergie stockée dans notre univers existe sous forme de matière noire. Pourtant, malgré son abondance, nous en savons étonnamment peu sur elle. «La matière noire semble interagir principalement par la force de gravité et elle est probablement composée de particules élémentaires qui n’ont pas encore été identifiées», explique Marcin Kuźniak, responsable de groupe au sein du Centre des sciences et technologies de l’astrophysique des particules, une unité autonome du Centre astronomique Nicolaus Copernicus (NCAC) de l’Académie polonaise des sciences. Il ne s’agit toutefois que d’une hypothèse. Ce qu’est la matière noire et comment elle est générée reste l’un des grands problèmes non résolus de la physique. Mais le voile qui couvre ce mystère commence à se lever, en partie grâce à des initiatives telles que le projet DarkWave, financé par l’UE et l’industrie. DarkWave développe de nouvelles technologies qui permettront de mettre au point la prochaine génération de détecteurs de matière noire utilisés pour observer l’univers. «Avec les bonnes technologies, ces très grands détecteurs, qui sont généralement situés dans des laboratoires souterrains, pourraient nous permettre de détecter directement la matière noire», ajoute Marcin Kuźniak, qui a coordonné le projet.
Les nouvelles technologies rendent les détecteurs plus sensibles
Au cours du projet, les chercheurs du NCAC, en collaboration avec quatre institutions partenaires situées en France, en Allemagne et en Italie, ont développé un portefeuille complet de technologies de détection de la matière noire. Il s’agit notamment de nouveaux matériaux convertisseurs de longueur d’onde (WLS pour «wavelength shifter») et de photocapteurs, ainsi que de capteurs sismiques et infrasonores innovants qui peuvent être utilisés pour surveiller les niveaux de bruit de fond autour du détecteur. Les chercheurs ont également conçu des algorithmes de traitement et d’analyse des signaux susceptibles d’être utilisés pour extraire des informations des données collectées par les détecteurs. En outre, le projet a permis aux scientifiques d’acheter le matériel nécessaire à la réalisation d’expériences, de recherches et de tests. «Toutes ces technologies et ce soutien contribuent à rendre les détecteurs plus sensibles que jamais», note Marcin Kuźniak.
Les détecteurs de matière noire passent à la vitesse supérieure
Ces technologies ont déjà eu un impact direct sur la compréhension de la nature de la matière noire. Par exemple, le détecteur DarkSide-20k, en cours de construction, bénéficie de nouveaux matériaux fluorescents et réfléchissants mis au point dans le cadre du projet. Ils améliorent considérablement sa sensibilité en matière de collecte de lumière tout en simplifiant radicalement sa construction. DarkWave a par ailleurs contribué à la mise en place de deux bancs d’essai cryogéniques à Varsovie, où ces types de matériaux, ainsi que des réseaux ultramodernes de photodétecteurs, sont désormais testés dans des conditions représentatives avant d’être installés dans le détecteur. Qui plus est, le projet a permis de réunir les communautés de la matière noire et des ondes gravitationnelles. Par exemple, de nouveaux réseaux de capteurs sismiques et infrasonores pour la surveillance des bruits de fond ont été développés et testés par les chercheurs à l’Observatoire des ondes gravitationnelles Virgo. Ils ont aussi été utilisés pour cartographier l’environnement sismique et infrasonore du site d’expérimentation souterrain DarkSide-20k.
Aider les jeunes scientifiques à acquérir une expérience pratique
Au-delà de la technologie, le projet s’est concentré sur le soutien aux jeunes scientifiques et aux chercheurs en début de carrière, ainsi que sur l’amélioration des capacités de l’hôte du projet grâce à la collaboration avec des institutions partenaires de pointe. Avec le soutien de DarkWave, ces chercheurs ont pu participer à plusieurs campagnes de mesures au sein du CERN et de Virgo, entre autres. «La mobilité permise par DarkWave est devenue un catalyseur pour l’accumulation de connaissances et la collecte d’expériences, ce qui en fait l’un des résultats les plus substantiels et les plus importants du projet», remarque Yuliya Hoika, spécialiste de la coordination des projets de l’UE au sein du NCAC. Ces chercheurs, ainsi que l’ensemble de l’équipe du projet, sont désormais prêts à continuer à faire progresser les connaissances, la mise en réseau et les idées novatrices encouragées par DarkWave. Il s’agit notamment d’explorer le potentiel de commercialisation de certaines des solutions développées au cours du projet, ainsi que de lancer STELLAR avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie Actions et Astrocent Plus, financé par l’UE, tous deux dans le cadre du programme Horizon Europe.
Mots‑clés
DarkWave, matière noire, détecteurs, univers invisible, univers, gravité, physique, décalage de longueur d’onde, photocapteurs, sismique, capteurs d’infrasons, algorithmes, détecteur DarkSide-20k, onde gravitationnelle