Les activités de recherche du groupe XENON sont centrées autour de la technologie de détection avec du xénon liquide.

La Collaboration XENON est une collaboration internationale qui regroupe une quinzaine de laboratoires américains, chinois et européens, dont le laboratoire Subatech, et qui mène des activités de recherche fondamentale focalisées autour de la thématique de recherche de matière noire dans l’Univers en développant un système de détection avec du xénon liquide.

L’objectif de la Collaboration XENON est la découverte d’une preuve directe de la présence de particules appelées WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), acronyme anglophone pour désigner une famille de particules massives interagissant faiblement avec de la matière, en observant leur interaction au sein d’une cible constituée de xénon liquide ultra pur et placée en milieu souterrain au Laboratoire National du Gran Sasso (LNGS), en Italie. Les WIMPs constituent à ce jour la famille de candidats la plus probable pour décrire la matière noire, notamment pour le cas du neutralino. La technique de détection utilisée est celle d’une chambre à projection temporelle (TPC) biphasée, formée d’une phase cible de xénon liquide (LXe) et d’une phase d’amplification constituée de xénon gazeux (GXe). Ce système présente la capacité de détecter simultanément les signaux de scintillation et d’ionisation via deux plans de photomultiplicateurs situés aux extrémités supérieure et inférieure de la chambre.

La phase actuelle du programme de recherche est baptisée XENON100 et fait appel à un volume total de 161 kg de xénon. Elle est à ce jour l’expérience présentant la meilleure sensibilité pour la recherche de matière noire, comme en attestent les résultats publiée par la collaboration XENON en 2012, qui font état d’une sensibilité sans précédent vis-à-vis de la section efficace d’interaction des WIMPs dans tout leur domaine de définition de masse. Le laboratoire Subatech, qui a rejoint la collaboration depuis quatre ans, est aujourd’hui investit dans l’analyse et le traitement informatique des données de l’expérience.

La prochaine phase du programme de recherche, XENON1T, fera appel à la même technique de détection, avec une masse totale d’environ 3.3 tonnes de xénon. Pour cette nouvelle étape, Subatech est impliqué dans la plupart des aspects de la construction du détecteur, et est en charge de la construction du système de récupération du xénon, ReStoX (Xenon Recovering System). Le détecteur XENON1T est prévu pour atteindre une sensibilité 100 fois plus grande que celle de son prédécesseur.

Etant donné la possibilité d’adapter à très grandes échelles la technologie de la chambre à projection temporelle utilisée par la collaboration XENON, la communauté de scientifique européens est d’ores et déjà à pied d’œuvre pour l’étude d’une expérience de l’ordre de plusieurs tonnes. Ainsi, le projet DARWIN est un réseau de différents laboratoires européens dont le but est de développer la prochaine génération de détecteurs pour la découverte ou la mesure plus précise des propriétés des WIMPs, dans le cas d’une découverte préalable par l’expérience XENON1T.

Si la technique de détection à l’aide d’une chambre à projection temporelle au xénon est une technologie pleine de promesses pour la physique des particules, elle l’est aussi pour d’autres applications qui ont un impact plus direct sur notre société. C’est dans ce cadre que le laboratoire Subatech développe un télescope Compton au xénon liquide pour l’imagerie médicale, XEMIS (XEnon Medical Imaging System). Dans une première phase du projet, XEMIS1, nous avons pu démontrer la qualité de notre principe de détection. Nous travaillons actuellement à l’amélioration de ce système dans le cadre d’une nouvelle phase du projet, baptisé XEMIS2, et dont le but est de développer un démonstrateur qui permettrait de réaliser des études sur des animaux de petites tailles.

Enfin, la possibilité d’adapter à différentes échelles la technologie des détecteurs au xénon ouvre la voie au développement de capteurs photosensibles capables de détecter des photons sur de larges surfaces. Le laboratoire Subatech s’inscrit ainsi comme le laboratoire pionnier dans le développement de photomultiplicateurs cryogéniques gazeux, appelés GPM (Gaseous photomultiplier), qui joueront un rôle fondamental dans les détecteurs futurs.

 

La recherche fondamentale

    La matière noire

       La recherche de la matière noire: XENON100

       Une nouvelle étape dans la recherche de matière noire: XENON1T

       Le Projet DARWIN

 

La recherche appliquée

    L'imagerie 3-gamma

       XEMIS: Développement d'un télescope Compton au xénon liquide pour l'imagerie medicale

    R&D en instrumentation

       GPM: Un photomultiplicateur gazeux cryogénique de large surface