L’expérience DAMIC-M (Dark Matter in CCD à Modane) a comme objective d’explorer les candidats de matière noire légère, avec des masses allant jusqu’à quelques electron-Volt, et qui ne sont pas détectables par les expériences actuelles. L’absence de resultats positifs dans la recherche des WIMPs a motivé la communauté scientifique à élargir ses horizons au-delà du paradigme des WIMPs et un scenario possible est que la matière noire soit formée de particules légères, dites du secteur "sombre" ou "caché", qui interagiraient encore plus faiblement avec la matière ordinaire. Un exemple est le "photon sombre", une version invisible et massive du photon ordinaire, qui pourrait aussi servir de médiateur des interactions entre la matière ordinaire et les particules du secteur caché.
L’expérience DAMIC-M utilisera des capteurs à transfer de charge (ou CCD, Charged Couple Device) pour détecter les reculs nucléaires et électroniques des particules de matière noire avec le Silicium des CCD. Les CCD sont des dispositifs utilisés depuis de nombreuses décennies dans les appareils photos numériques de hautes qualités et dans les télescopes astronomiques pour l’imagerie d’objets astrophysique de faible luminosité. L’utilisation des CCD pour la détection des interactions des particules de matière noire dans le CCD a été lancée en 2016 par l'expérience DAMIC avec un prototype de 40 g installé dans une mine à 2 km sous terre , au Canada) et montré en Fig. 1.
Le détecteur DAMIC-M sera composé de 50 CCD, pour une masse totale de l'ordre du kg. Les CCD de DAMIC-M sont les plus épais jamais construits. Ils ont une épaisseur de 675 µm (contre les 10-20 µm des CCD des appareils photo) et une taille de 36 millions de pixels (soit 9 cm x 9 cm) pour une masse de 13g environ. Ils utiliseront une nouvelle technologie de lecture pour atteindre une résolution d'une fraction d'electron. Avec un bruit de moins de 0,1 électrons, les CCDs de DAMIC-M pourrons détecter chaque électron et être sensibles à des dépôts d’énergie aussi petits que 2-3 eV. En plus, les CCDs permettent une reconstruction 3D des événements et une résolution spatiale unique au monde qui est cruciale pour séparer les événements de bruit radioactif de ceux du aux interactions de la matière noire.
Le détecteur DAMIC-M à été financé par une bourse ERC (European Research Council) et par l’agence NSF aux Etats Units en 2018. Il est actuellement en phase de conception (Fig.2). Un prototype sera installé en 2021 au Laboratoire Souterrain de Modane, dans le tunnel du Frejus en France. La collaboration DAMIC-M regroupe plus de 70 membres provenants de 7 pays du monde entiers (France, Etats Units, Espagne, Suisse, Argentine, Canada et Danemark).
Le groupe à Subatech participe à la conception du détecteur, aux simulations et l’estimation du bruit de fond et à l’analyse des données. En plus, un nouveau système de refroidissement a été proposé par le service mécanique de Subatech et un prototype du cryostat a été construit au laboratoire en 2020 pour valider son fonctionnement.
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