COSINE-100U : Une nouvelle quête pour la matière noire

La matière noire, c'est un vrai mystère dans l'univers. Les scientifiques croient qu'une grande partie de l'univers est faite de matière noire, mais on peut pas la voir directement. Plein d'expériences essaient de la trouver, mais jusqu'à maintenant, personne a pas trouvé de signes clairs. Une expérience, appelée DAMA/LIBRA, a signalé quelques trucs qui pourraient indiquer la matière noire, mais d'autres expériences n'ont pas trouvé les mêmes signaux. Ça a causé des débats dans la communauté scientifique sur ce que ces signaux veulent dire.

Pour éclaircir cette confusion, plusieurs expériences essaient de vérifier les résultats de DAMA/LIBRA avec les mêmes matériaux. Une de ces expériences s'appelle COSINE-100, qui a commencé en 2016. Elle a utilisé pas mal de cristaux de NaI(Tl) pour chercher des signaux de matière noire et n'a rien trouvé, ce qui était décevant pour les chercheurs espérant trouver des preuves des particules de matière noire, appelées Particules Massives Faiblement Interagissantes (WIMPs).

Après six ans et demi de fonctionnement, COSINE-100 a été déplacé dans un nouveau labo souterrain, Yemilab. Cette mise à jour, appelée COSINE-100U, vise à améliorer la capacité de l'expérience à détecter la matière noire de faible masse.

#Objectifs de COSINE-100U

COSINE-100U est conçu pour améliorer l'expérience originale de plusieurs façons. Un des principaux objectifs est d'améliorer la sensibilité pour détecter la matière noire de faible masse. L'équipe se concentre sur l'amélioration de l'équipement pour trouver les petits signaux que la matière noire pourrait produire quand elle interagit avec la matière normale.

La nouvelle installation implique une mise à jour des cristaux de NaI(Tl) utilisés dans l'expérience. Avec de meilleures capacités de collecte de lumière, ces cristaux peuvent potentiellement détecter les interactions de matière noire plus efficacement qu'avant.

#Amélioration des Cristaux de NaI(Tl)

Les cristaux de NaI(Tl) sont cruciaux pour l'expérience COSINE-100U. Ces cristaux sont chargés de détecter la lumière quand la matière noire interagit avec eux. L'équipe a mis en place plusieurs améliorations pour améliorer la collecte de lumière de ces cristaux.

#Problèmes de Conception Originaux

Dans l'ancienne expérience COSINE-100, la façon dont les cristaux étaient enfermés n'était pas optimale pour collecter la lumière. La configuration originale avait plusieurs couches entre le cristal et les détecteurs de lumière, ce qui faisait perdre de la lumière. Les réflexions à ces interfaces réduisaient l'efficacité globale de détection des signaux lumineux.

#Nouvelle Méthode d'Encapsulation

Pour régler ces problèmes, l'équipe a développé une nouvelle méthode pour encapsuler les cristaux. Ils ont choisi un design qui permet aux détecteurs de lumière, appelés tubes photomultiplicateurs (PMTS), d'être fixés directement aux cristaux. Ça réduit le nombre de couches que la lumière doit traverser, permettant à plus de lumière d'atteindre les PMTs.

Dans la nouvelle installation, les cristaux sont enfermés dans des matériaux robustes qui les protègent tout en s'assurant que la lumière peut passer facilement. Le design amélioré vise à augmenter considérablement le rendement lumineux, ce qui signifie que lorsque la matière noire interagit avec les cristaux, les signaux résultants seront plus clairs et plus faciles à détecter.

#Résultats des Améliorations

Les tests ont montré que ces améliorations ont porté leurs fruits. Quand les nouveaux cristaux de NaI(Tl) ont été testés avec des sources émettant des quantités connues de lumière, les résultats ont indiqué une augmentation substantielle de la lumière collectée par rapport à la configuration originale. Cette amélioration va probablement augmenter les chances de détecter des particules de matière noire dans les expériences futures.

#Transition vers Yemilab

Déplacer l'expérience du Yangyang Underground Laboratory à Yemilab permet d'avoir de meilleures conditions. Le nouveau labo est beaucoup plus profond sous terre, ce qui aide à protéger l'expérience des Rayons cosmiques et d'autres formes de radiation qui pourraient interférer avec les données.

La construction de Yemilab a inclus des protections de pointe pour protéger les détecteurs. L'installation a été conçue pour être un foyer pour diverses expériences, et elle offrira un environnement calme pour que COSINE-100U puisse fonctionner.

#Caractéristiques de Yemilab

Yemilab est équipé de systèmes avancés pour contrôler l'environnement à l'intérieur du labo. Ces systèmes surveilleront et géreront des facteurs comme la température et la qualité de l'air, qui sont cruciaux pour les instruments sensibles utilisés dans la recherche sur la matière noire.

Le labo a aussi été conçu pour minimiser la poussière et d'autres particules qui pourraient affecter les détecteurs. Cette attention aux détails assure que l'expérience peut obtenir des résultats de haute qualité, à l'abri du bruit extérieur.

#Installation de Boucliers

Un des aspects critiques du design de COSINE-100U, c'est le blindage. L'expérience mise à jour présente un arrangement complexe de blindage conçu pour la protéger des radiations externes. Le blindage se compose de différentes couches faites de matériaux comme le plomb et un Scintillateur liquide.

#Couches de Blindage

• Couche de Plomb : Cette épaisse couche aide à bloquer les radiations à haute énergie qui pourraient perturber les mesures.
• Scintillateur Liquide : Entourant le plomb, cette couche active peut détecter les radiations, fournissant un moyen secondaire de capter les signaux interférents.

La combinaison de ces couches améliore la performance globale de l'expérience en s'assurant que seuls les signaux provenant de la matière noire sont captés.

#Mesure de la Performance

Après la mise à niveau et le déménagement, l'équipe a testé la performance de la nouvelle installation COSINE-100U. Ils ont mis en place une série de mesures pour évaluer le fonctionnement du système dans le nouvel environnement.

#Mesures de Rendement Lumineux

Pour évaluer le rendement lumineux, l'équipe a utilisé une source radioactive pour projeter une énergie connue sur les cristaux de NaI(Tl). De cette façon, ils pouvaient mesurer combien de lumière était produite lors de l'interaction de la matière noire avec les cristaux, leur permettant de comparer les résultats avant et après la mise à niveau.

#Mesures de Fond

En plus du rendement lumineux, l'équipe a aussi examiné les signaux de fond. Les signaux de fond sont tous les signaux indésirables qui pourraient masquer le signal de la matière noire. En mesurant ces niveaux de fond, l'équipe pouvait mieux comprendre la propreté de leurs données et à quel point la mise à niveau avait amélioré la performance de l'expérience.

#Réalisations Attenues

Après avoir analysé les résultats des améliorations et la nouvelle installation à Yemilab, l'équipe est optimiste quant à ses perspectives futures. Ils s'attendent à collecter des données importantes qui pourraient mener à de nouvelles découvertes sur la matière noire.

#Sensibilité à la Matière Noire de Faible Masse

Les améliorations dans l'encapsulation des cristaux et le design global devraient rendre l'expérience COSINE-100U beaucoup plus sensible aux particules de matière noire de faible masse. C'est crucial puisque plusieurs théories en physique suggèrent que les particules de matière noire pourraient être plus légères que ce qu'on pensait auparavant.

#Comparaison avec d'Autres Expériences

Un aspect de l'expérience COSINE-100U est sa capacité à comparer les résultats avec d'autres expériences, surtout celles utilisant la même technologie de cristaux de NaI(Tl). Cette approche collaborative permet aux scientifiques de valider les découvertes à travers différentes équipes de recherche et expériences.

#Objectifs à Long Terme

L'objectif à long terme du projet COSINE-100U est de fournir des preuves directes des interactions de matière noire. Si c'est réussi, ce travail pourrait mener à des découvertes révolutionnaires et à une compréhension plus profonde de la composition de notre univers.

#Conclusion

L'expérience COSINE-100U représente un pas en avant significatif dans la quête de la matière noire. En mettant à niveau l'équipement existant et en se déplaçant vers une meilleure installation, les scientifiques espèrent surmonter les défis précédents et détecter des signaux de matière noire. Le nouveau design des cristaux de NaI(Tl) et la construction réfléchie de Yemilab créent un environnement prometteur pour la recherche future.

La communauté scientifique attend avec impatience les résultats de COSINE-100U, qui pourraient débloquer de nouvelles connaissances sur la matière noire, un composant mystérieux de notre univers qui a intrigué les chercheurs depuis des décennies. Cette expérience pourrait aider à combler les lacunes dans notre compréhension de la physique et mener à des découvertes passionnantes sur la nature même de la matière.