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La collaboration XENONnT a annoncé aujourd’hui la première mesure des reculs nucléaires à basse énergie des neutrinos solaires, lors de la conférence IDM à L’Aquila. Ces reculs sont causés par les neutrinos produits par les réactions nucléaires dans le Soleil, notamment ceux provenant du Bore-8.
XENONnT utilise une chambre à projection temporelle contenant 5,9 tonnes de xénon liquide pour détecter les interactions rares. Installée au Laboratoire du Gran Sasso (LNGS) en Italie, elle traque la matière noire grâce à un très faible bruit de fond. La détection des neutrinos solaires via la diffusion élastique cohérente sur les noyaux de xénon (CEvNS) a été réalisée sur une période de deux ans, avec une exposition totale de 3,5 tonne-ans. Les résultats ont montré un excès d'événements compatibles avec un signal de neutrinos solaires du Bore-8, avec une signification statistique de 2,7 sigma, soit une probabilité de 0,35 % que ce signal soit dû au bruit de fond.
Cette mesure est significative car elle représente la première observation de CEvNS avec des neutrinos solaires et marque un nouveau chapitre dans la détection directe de la matière noire. XENONnT prévoit de futures découvertes en continuant à accumuler des données. Pour plus d'informations, disponible également sur https://xenonexperiment.org/
Informations sur l'équipe Xenon de Subatech impliquée dans la collaboration : http://www-subatech.in2p3.fr/fr/recherche/equipes/xenon/presentation
Solar neutrino experiments
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Dans le cadre du projet de recherche XEMOX, une délégation de l'équipe Xénon de Subatech en visite à la mi janvier de l'usine française Orano-Melox d'assemblage des combustibles Mox. Le projet XEMOX vise à percer d'éventuels secrets encore présents au sein du combustible Mox en utilisant la nouvelle technologie de gamma caméra hyper sensible "XEMIS" comprenant du xénon liquide et utilisée pour la nouvelle imagerie médicale 3photons au CHU de Nantes.
Sur la photo de gauche à droite : Dominique Thers, Nicolas Beaupère et Eugène Semenov de l'équipe Xénon de Subatech; Abibatou Ndiaye (Orano), Thierry Gervais (Orano), Marco Cologna (Joint Research Center)
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XENONnT, le dernier détecteur du programme XENON cherchant la matière noire, présente un bruit de fond plus faible que jamais, ce qui facilite la recherche de phénomènes nouveaux et très rares avec une sensibilité sans précédent. Ses premiers résultats éclaircissent le mystérieux excès observé dans l’expérience précédente, XENON1T, et établissent des limites fortes sur les scénarios de nouvelle physique.
Il y a deux ans, la collaboration XENON a observé un excès d'événements de recul électronique dans l'expérience XENON1T. Ce résultat a suscité beaucoup d'intérêt et de nombreuses publications, car il pouvait être interprété comme le signal d'une nouvelle physique au-delà des phénomènes connus.
Aujourd'hui, la collaboration XENON a publié les premiers résultats de sa nouvelle expérience encore plus sensible, XENONnT, avec un bruit de fond du recul électronique réduit d’un facteur 5 par rapport à son prédécesseur, XENON1T. L'absence d'excès dans les nouvelles données indique que l'origine du signal de XENON1T proviendrait de traces de tritium dans le xénon liquide, l'une des hypothèses envisagées à l'époque. En conséquence, cela conduit maintenant à des limites très fortes sur les scénarii de nouvelle physique initialement invoqués pour expliquer cet excès.
Données (points) et modèles (lignes) provenant des instruments XENON1T et XENONnT.
Avec un bruit de fond 5 fois inférieur, XENONnT possède une sensibilité sans précédent. Aucun signal de nouvelle physique n'a été observé.
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La collaboration XENON a présenté aujourd'hui les résultats de XENONnT, l'expérience de dernière génération du projet XENON, dédiée à la recherche directe de matière noire sous la forme de particules massives interagissant faiblement (WIMP). Avec une exposition initiale légèrement supérieure à 1 tonne.an et une analyse en aveugle, les données sont cohérentes avec l'hypothèse d’un bruit de fond seul. XENONnT fixe donc de nouvelles limites à l'interaction des WIMP avec la matière ordinaire. Grâce à un bruit de fond cinq fois plus faible, XENONnT a considérablement amélioré les résultats de l'expérience XENON1T, obtenus avec une exposition similaire.
L'expérience XENONnT a été conçue pour rechercher des particules de matière noire avec une sensibilité supérieure d'un ordre de grandeur à celle de son prédécesseur. Le détecteur cylindrique au cœur de l'expérience est une chambre de projection temporelle (TPC). D'une hauteur et d'un diamètre d'environ 1,5 mètre, il est rempli de xénon liquide ultrapur maintenu à -95°C. Une masse de 5900 kg de xénon sur les 8600 kg nécessaires au fonctionnement du détecteur constitue la cible active pour les interactions avec les particules. Il est installé à l'intérieur d'un veto Cherenkov pour les muons et les neutrons, dans les profondeurs des laboratoires nationaux du Gran Sasso (INFN), en Italie. XENONnT a été construit puis mis en service entre le printemps 2020 et le printemps 2021 et a pris ces premières données scientifiques sur 97,1 jours, du 6 juillet au 10 novembre 2021.
La signature d'une interaction entre un WIMP et un atome de xénon est un minuscule flash de lumière de scintillation accompagné d'une poignée d'électrons d'ionisation. Ceux-ci sont entraînés par un champ électrique appliqué vers le haut de la TPC où ils sont ensuite extraits par un champ électrique plus fort dans le xénon gazeux, au-dessus du liquide, produisant un deuxième signal de scintillation. Les deux signaux lumineux sont détectés par des photodétecteurs ultrasensibles, qui fournissent des informations sur l'énergie et la position en 3D, événement par événement.
Les expériences de recherche de la matière noire nécessitent le niveau le plus bas possible de radioactivité naturelle, provenant à la fois de sources intrinsèquement présentes dans la cible de xénon liquide, des matériaux de construction et de l'environnement. Celle-ci dominée par les atomes de radon qui sont constamment émis par les matériaux des détecteurs et qu'il est extrêmement difficile de réduire. La collaboration XENON a été la première à mettre au point des technologies permettant d'abaisser le radon à un niveau sans précédent, depuis les campagnes de sélection des matériaux jusqu'au système de distillation cryogénique en ligne qui élimine activement le radon du xénon. Un autre bruit de fond radioactif important provient des neutrons générés par la radioactivité des matériaux des détecteurs. Dans XENONnT, son impact a été réduit grâce à un nouveau détecteur de veto neutronique installé dans le réservoir d'eau autour du cryostat à xénon. Il permet de reconnaître et d'éliminer les événements neutroniques susceptibles d'imiter la signature des WIMP. Le détecteur XENONnT est si sensible aux interactions rares que même les neutrinos, les particules les plus insaisissables connues à ce jour, doivent être pris en compte dans le modèle d'arrière-plan.
Avec ce résultat, XENONnT renforce les contraintes précédentes dès la première courte exposition.
XENONnT recueille davantage de données, avec des conditions de détection améliorées et un niveau de bruit de fond encore plus faible grâce à une nouvelle amélioration du système d'élimination du radon en ligne, dans le but d'accroître la sensibilité des WIMP au cours des prochaines années.
Pour plus d'informations sur le projet XENON, consultez le site https://xenonexperiment.org/
Informations sur l'équipe Xenon de Subatech impliquée dans la collaboration : http://www-subatech.in2p3.fr/fr/recherche/equipes/xenon/presentation
Vue de l'intérieur du water tank, avec au centre la TPC entourée du système de détection des neutrons
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Un prototype du détecteur DAMIC-M a été installé en décembre 2021 dans le laboratoire Souterrain de Modane, dans le tunnel du Frejus. Des premiers résultats du travail commun des chercheurs et des doctorants des laboratoires Subatech et LPNHE, de l’Université de Chicago et de l’Université de Washington, sont attendus des les mois qui viennent.
Liens de l'éxpérience DAMIC-M :
https://damic.uchicago.edu
www.damicm.cnrs.fr
Le coeur du détecteur, deux skipper CCDs. L'équipe* qui a fait l’installation et la dernière vis posée par Claudia de Dominicis, thésarde à Subatech
*De gauche à droite : Michelangelo Traina, PhD LPNHE, Jonty Paul, PhD U. Chicago, Alvaro Chavarria, Professeur University of Washington, spokesperson DAMIC at Snolab, Paolo Privitera, Professeur University of Chicago, spokesperson DAMICM, Claudia De Dominicis, PhD Subatech, Mariangela Settimo, researcher Subatech