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Le Bolomètre : un détective hors pair pour sonder l'Univers

  • Posté le : Mercredi 1 Septembre 2004
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  • par : S. Furois
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  • Expert : P. de Marcillac
  • Actualisé le : Mercredi 13 Février 2008
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Nouvelles étoiles, nouvelles galaxies, nouvelles planètes… régulièrement les chercheurs progressent dans la connaissance de "l'infiniment grand". Cependant un mystère persiste : celui de la dénommée "matière noire" de l'Univers. Aussi, avec de petits instruments appelés bolomètres, les astrophysiciens sondent notre galaxie à la recherche d'un "signe" de cette mystérieuse matière. Parmi eux, une équipe de l'Institut d'astrophysique spatiale d'Orsay.

Vue du BolomètreCe Bolomètre en saphir de 1 Kg a été construit à l'IAS.
© IAS

Dans notre galaxie, comme dans beaucoup d'autres, la masse visible (planètes, étoiles, nébuleuses…) semble ne former qu'environ 10 % de la masse totale. L'autre partie nous est invisible car elle n'absorbe pas de lumière, n'en émet pas et n'en réfléchit pas non plus. D'où ses noms de masse ou matière "sombre", ''noire", "manquante" ou encore "cachée". 90 % de la masse de l'Univers qui nous "échappe", c'est beaucoup ! Aussi - et ce depuis 1930 ! - plusieurs équipes d'astrophysiciens ne cessent de la traquer, travaillant sans cesse à l'amélioration de leurs systèmes de détection.

Parmi les différentes spécialités de la physique, il en est une qui concerne les constituants infimes de la matière : la physique des particules. Parmi ses différentes prédictions, elle prévoit l'existence de particules baptisées "WIMPs"(Weakly Interactive Massive Particules ; particule massive interagissant très faiblement avec la matière). Et si une partie de la masse cachée était justement constituée de ces WIMPS ? Pour le savoir, détectons-les disent les physiciens ! Problème : ces particules n'interagissent que très faiblement avec la matière, donc aussi avec tout détecteur. Pour les repérer il faut des détecteurs capables de déceler la plus infime trace d'énergie qu'elles pourraient y déposer ; et minimiser au maximum les "traces" dues à la radioactivité naturelle ; et pouvoir identifier sans ambiguïté les différents types de particules (WIMPs, rayonnements radioactifs…)… Le pari est de taille ! Mais il y a de bons candidats : les bolomètres (du grec bolê, trait, radiation, et metron, mesure). Ils sont faits d'une cible refroidie, un cristal isolant et dur, sur laquelle est collée une résistance variant avec la température et parcourue par un courant constant. Lorsqu'une particule interagit avec le cristal, elle y dépose de l'énergie qui est convertie en chaleur : l'élévation de température produite est détectée comme une variation de tension que l'on peut enregistrer.

01.Aux limites du possible

L'institut d'Astrophysique SpatialeL'Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS) est situé sur le campus universitaire d'Orsay. L'IAS est une unité mixte de recherche Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)/Université Paris Sud 11. Il possède le statut d'Observatoire des Sciences de l'Univers (OSU) depuis janvier 2001 et est un des laboratoires sélectionnées du Centre National d'Etudes Spatiales (CNES).
© IAS
C'est en testant une nouvelle technique et de nouveaux bolomètres mis au point pour l'enquête sur la masse cachée qu'une équipe de l'Institut d'astrophysique spatiale (IAS) a mis en évidence la radioactivité de l'un des constituants de la cible de son bolomètre, le bismuth 209 (209Bi). Un élément dont la période radioactive, établie dès les années quarante, est si longue - près de 400 millions de fois l'âge de la Terre ! - et l'énergie associée à cette désintégration radioactive si faible, qu'on n'avait jamais réussi à détecter une seule désintégration. 209Bi était ainsi considéré comme le plus lourd des isotopes stables de la nature… Or l'équipe de l'IAS a détecté sept désintégrations en une seule nuit ! Avec des caractéristiques en parfait accord avec les estimations théoriques les plus récentes. Quand on sait que l'énergie qu'ils ont réussi à détecter est 20 milliards de fois plus faible que celle que l'on dépense pour élever, avec la main, une bille à 10 cm de hauteur… on mesure la puissance de détection de cette nouvelle technique ! Le bolomètre de l'IAS, un détecteur plein de promesses…

Au début des années soixante-dix, une astronome américaine, Vera Rubin, observe que les étoiles très éloignées du centre des galaxies spirales situées au voisinage de la nôtre vont beaucoup trop vite. Trop vite par rapport à quelles références ? Celles de Newton. En effet 1) les étoiles d'une galaxie devraient subir une force de gravitation diminuant au fur et à mesure qu'elles s'éloignent du centre de la galaxie, lieu de concentration de la masse puisque la majorité des étoiles s'y trouvent ; 2) cette force diminuant, la vitesse de rotation de ces étoiles périphériques autour du centre de la galaxie devrait faire de même. Or elle est anormalement élevée. Pour expliquer ce phénomène il faut "introduire" de la matière, une idée déjà suggérée par un astronome suisse, vivant aux États-Unis, dans les années…trente ! Mais qui n'avait pas autrement ému… Les observations de Véra Rubin ont davantage d'échos et "la grande enquête" sur cette matière invisible, bientôt baptisée "matière noire", démarre vraiment.
 
La saga de la matière noire

Après plusieurs hypothèses - gaz ionisé, naines brunes, étoiles en fin de vie, trous noirs…- toutes insatisfaisantes, l'ensemble ne pouvant représenter qu'un faible pourcentage de la masse cachée, une hypothèse proposée en Schéma des particules du halo galactiqueEffet saisonnier : l’énergie cinétique des particules du halo galactique de matière noire est maximale en juin, et minimale en décembre.
© IAS
1985 par les physiciens des particules résiste : la matière noire serait constituée de particules massives interagissant très peu avec la matière ordinaire, d'où le nom de WIMPs (Weakly Interacting Massive Particules ; particule massive interagissant très faiblement avec la matière), créées au moment du big bang et appartenant à la classe des particules supersymétriques. Et, comme le précise Pierre de Marcillac, "ces particules fossiles sont piégées par la gravitation de notre galaxie dans un halo de grande extension. Elles nous traversent, ainsi que nos détecteurs, au rythme de 10 millions de particules par cm2 et par seconde, sans interagir pour la plupart d'entre elles. Cependant, de temps en temps, un choc se produit et une partie de l'énergie cinétique des particules est transférée à un atome du détecteur qui "recule". Ce transfert d'énergie est susceptible d'être modifié par un effet saisonnier, lié à notre mouvement respectif par rapport au Soleil. Cette modulation serait la première signature d'une détection directe de la matière noire."

La trace de ces WIMPs n'est pas recherchée par les astrophysiciens que munis de leurs détecteurs bolométriques. Elle l'est aussi dans les plus grands accélérateurs de particules. Mais ceux-ci ne sont pas encore assez puissants. Un espoir : le grand collisionneur de hadrons (LHC, pour Large Hadron Collider) en construction au Centre européen pour la recherche nucléaire (Cern , Genève), où les premières expériences sont prévues pour 2007. Cependant, d'autres hypothèses, très récentes, existent : des axions, particules théoriques mais hors théorie supersymétrique, en place des WIMPS ; une matière noire non pas lourde mais légère ; une modification de la théorie de la gravitation de Newton… Le XXIe siècle résoudra-t-il l'un des plus grands secrets, bien gardé, de la nature ?

02.Un cristal, un thermomètre, un réfrigérateur

Carte des températures du fond cosmologiqueCette carte nous montre les fluctuations de température du fond cosmologique, déterminées par les satellites Cobe et Planck, utilisant des radiomètres comme détecteurs. Des expériences (bolomètres embarqués sur des ballons stratosphériques) ont aujourd'hui confirmé que les bolomètres refroidis fonctionnant dans le mode photométrique ont une sensibilité bien meilleure pour ce type de mesure. En 2008, le satellite Planck embarquera dans l'espace un ensemble de 56 bolomètres refroidis à 100 mK.
© IAS
Un bolomètre est formé d'un cristal auquel on couple un thermomètre, le tout placé dans un calorimètre interdisant au maximum tout échange de chaleur avec l'extérieur. Lorsqu'une particule arrive sur le cristal (particule incidente), elle interagit avec lui : elle y dépose de l'énergie, d'où une élévation de la température du cristal dont la mesure permet d'obtenir la valeur du dépôt d'énergie. Cependant, à température ambiante, cet échauffement se compte en… millionièmes de millionièmes de degrés ! Pour détecter une quantité si petite, il faut réduire au maximum les variations spontanées de l'énergie interne du cristal, d'origine thermique, et donc le refroidir énormément. Mais comment refroidit-on le bolomètre ? "La technique employée est celle des réfrigérateurs à dilution, nous explique Pierre de Marcillac, chercheur à l'IAS. Cette technique utilise les propriétés thermodynamiques d'un mélange des deux formes d'hélium, 3He et 4He, pour atteindre de façon continue des très basses températures." En effet, la dilution de 3He dans 4He abaisse la température globale du mélange. On arrive ainsi à atteindre des températures inférieures à 100 millikelvins, soit près de… –273,14 °C ! Autre intérêt de ce refroidissement : la particule incidente provoque une élévation de température du cristal nettement plus importante qu'à 20 °C (mais qui nécessite cependant, pour la mesurer, des thermomètres ultrasensibles).

En fait, les bolomètres ont une autre utilisation que celle de la détection de particules (mode détection). Ils peuvent aussi mesurer l'énergie incidente de paquets de photons (mode photométrique), le cristal du bolomètre étant recouvert d'un film absorbant et noir, souvent en bismuth. Le principe de la mesure est totalement identique.

Après un peu plus de 120 ans d'existence, les bolomètres, maintenant refroidis à très basse température, sont devenus de puissants détectives. Pour illustrer la puissance de leur sensibilité, Pierre de Marcillac nous donne cette image : "Les bolomètres les plus sensibles qui existent aujourd'hui, montés au foyer d'un télescope de 2 mètres m installé sur la Lune, seraient capables de détecter en une seconde une cigarette allumée sur la Terre." Détection en souterrain de la matière noire, mesure très précise du rayonnement fossile cosmologique, derrière un télescope et/ou en satellite, détection d'évènements rarissimes, spectroscopie à très haute résolution de toutes sortes de rayonnements… sont autant d'expériences réalisables grâce à la sensibilité des bolomètres d'aujourd'hui.

Chercheurs et bolomètres sous la montagne

Pic de TobazoLe Pic de Tobazo est situé au-dessus du laboratoire souterrain de Canfranc.
© IAS
Enregistrez-vous jouant du piano au milieu du salon, où les conversations chuchotées vont bon train, interrompues par quelques légers toussotements. Écoutez ensuite votre enregistrement : toutes les parties jouées pianissimo sont quasi inaudibles, couvertes par le bruit de fond produit par les convives. Avec la détection de la matière noire, c'est un peu la même chose : on l'a vu plus haut, les particules candidates à la constitution d'une partie de la masse cachée interagissent très peu avec la matière ; pour avoir une chance de les détecter, hormis l'utilisation de bolomètres ultra-sensibles, il faut pouvoir minimiser au maximum tout "bruit" parasite produit par d'autres rayonnements. Les plus perturbants, aux énergies mesurées, sont le rayonnement cosmique et les rayonnements issus de la radioactivité naturelle.

Pour faire fi du rayonnement cosmique, la solution est relativement simple : les expériences sont conduites profondément sous terre, dans des galeries spécialement aménagées pour la cause. Ainsi, les astrophysiciens de l'IAS, pour l'expérience Rosebud menée en collaboration avec l'université de Saragosse, s'installent-ils dans le laboratoire souterrain du Canfranc, situé dans le tunnel du Somport (Pyrénées). L'expérience Edelweiss (CNRS, CEA, universités Paris-Sud et Lyon 1) se déroule dans le laboratoire souterrain de Modane, situé dans le tunnel du Fréjus (Alpes). Et l'expérience allemande CRESST, dans le tunnel du Gran Sasso (Apennins), etc.

Pour résoudre le problème du "bruit de fond" radioactif, deux précautions sont prises : 1) les matériaux du détecteur sont sélectionnés pour leur "radio-pureté" ; 2) ils sont séparés de l'environnement ambiant par des blindages de plomb et de cuivre.
Si de nets progrès sont notés par toutes les équipes engagées dans ces expériences, ces améliorations ne suffisent pas…

03.Coupler pour mieux séparer

L'expérience ROSEBUDExpérience ROSEBUD dans le tunnel du Somport: blindage en plomb, cuivre, et protection plastique contre le radon, gaz radioactif naturel.
© IAS
… Car, comme nous l'expliquent les astrophysiciens de l'IAS, "les premières mesures effectuées dans le cadre de Rosebud à l'aide de bolomètres en saphir synthétique et en germanium ont permis de prendre la mesure du paramètre fondamental limitant la sensibilité de ces expériences : les rayonnements du fond de radioactivité naturelle, issus principalement de désintégrations alpha, bêta (électrons) qui s'accompagnent souvent de l'émission de gammas (photons de haute énergie)." En l'absence de techniques de discrimination actives, ces rayonnements, bien que très distincts du signal "matière noire" recherché, le masquent complètement. Comment faire alors ? Chercher, en se penchant sur les théories physiques, un moyen efficace de distinguer par exemple une particule bêta ou un photon gamma d'une WIMP. Et concevoir de nouveaux détecteurs capables de discriminer les particules entre elles selon leur nature.

La plupart des équipes engagées dans cette "grande énigme" de l'Univers se sont investies dans cette autre phase. Ainsi, l'expérience Edelweiss a utilisé une technique mixte de mesure simultanée "charges et chaleur" : on mesure en même temps l'énergie (chaleur) déposée par la particule incidente sur la cible (cible semi-conductrice en germanium) et le nombre d'électrons que cette particule a arrachés aux atomes du cristal, autrement dit le pouvoir d'ionisation de la particule incidente. Or ce pouvoir est différent selon qu'il s'agit d'une WIMP ou d'une particule appartenant à la radioactivité ambiante. Avec cette nouvelle technique mixte, Edelweiss a clairement gagné en sensibilité. Un grand pas en avant, qui a permis d'infirmer les résultats de DAMA (expérience sino-italienne) qui, en 2000, avait fait grand bruit, annonçant la fin du mystère avec la détection d'une WIMP - "découverte" également infirmée par l'expérience américaine CDMS. À moins que les modèles d'interaction des particules utilisés pour la comparaison soient trop simplistes…

L'équipe de l'IAS a opté, elle, pour une technique mixte "lumière et chaleur" en utilisant des bolomètres scintillants. Le montage combine les deux modes de détection traditionnels des bolomètres, le mode détection et le mode photométrique. Un couple de bolomètres est enfermé dans une cavité réfléchissante. L'un, massif, constitue la cible proprement dite (mode détection) et, outre son échauffement, scintille en réponse à des évènements ionisants (en réponse donc à l'impact de particules au pouvoir ionisant). L'autre, un fin disque de germanium, absorbe et mesure les photons émis par le premier (mode photométrique).

Bolomètre scintilliantPrincipe du bolomètre scintillant
© IAS
Depuis 2001, l'équipe teste, en alternance entre le Canfranc et l'IAS même, deux prototypes de ce nouveau dispositif : des bolomètres scintillants en germanate de bismuth (Bi4Ge3O12) de 46 gr et des bolomètres scintillants en tungstate de calcium (CaWO4), couplés chacun à leur détecteur optique (le fin disque de germanium, bolomètre en mode photométrique). Les résultats sont plus que bons, "le simple relevé du rapport des signaux des deux détecteurs du couple s'est avéré suffisant pour identifier avec certitude la nature de la particule interagissante dans le cristal. Le refroidissement de la cible à très basse température (20 millikelvins, soit près de –273,13 °C) permet par ailleurs de mesurer son énergie avec une très bonne précision" nous dit Pierre de Marcillac, enthousiasmé par cette belle avancée. Il nous précise aussi que, si la technique mixte "charges et chaleur" (cibles semi-conductrices), et la technique mixte "lumière et chaleur" développée à l'IAS, sont assez complémentaires, de nombreuses cibles potentielles peuvent être utilisées pour les bolomètres scintillants, un atout quand l'on sait que les seuls semi-conducteurs disponibles sont le germanium et le silicium. Mais l'astrophysicien émet aussi quelques regrets : "Cependant, nous ne bénéficions pas des développements industriels très importants qui ont soutenu ces deux matériaux vers des niveaux de pureté inégalés, et nous devons explorer nous-mêmes les propriétés scintillantes des matériaux utilisés à très basse température, faute de données." Une exploration qui porte ses fruits : les chercheurs de l'IAS ont testé un certain nombre de cibles scintillantes et chacune de ces cibles, intégrée dans le nouveau montage bolométrique développé à l'IAS, a fait preuve de qualités de détection très performantes.

La preuve de l'efficacité de cette nouvelle technique bolométrique ? La détection de la radioactivité naturelle du bismuth, car c'est bien, en effet, grâce à l'excellente résolution en énergie de la technique bolométrique et au fort pouvoir d'identification permis par la mesure simultanée des deux signaux de lumière et de chaleur, que les chercheurs de l'IAS ont pu identifier les raies alpha dues à la radioactivité naturelle du bismuth. Retour en arrière, une nuit de printemps 2002…

04.Une hypothèse vieille de plus de 60 ans, enfin vérifiée

Bolomètre et son détecteur optiqueVue du Bolomètre scintillant de 91g en germanate de bismuth (BGO) et son détecteur optique. Ces détecteurs viennent de réaliser les premiers enregistrements de la désintégration naturelle du bismuth avec une durée de vie de 1.9 10 19ans.
© IAS
Nous sommes en mars 2002, la nuit… mais à l'IAS, tout le monde n'est pas couché : une équipe effectue, à l'IAS même…, une expérience de calibration du fond dans un bolomètre de 46 gr en germanate de bismuth, refroidi à 20 millikelvins. Et là, les mesures apportent une vraie surprise : une "raie inconnue", associée à une désintégration alpha, vers 3 200 keV ! Les chercheurs veillent toute la nuit : au petit matin, sept désintégrations ayant ces caractéristiques ont pu être relevées. Artefact électrique ? Non, tout est vérifié. Alors, quoi ? L'équipe de l'IAS se penche sur le cas du bismuth et examine attentivement la littérature scientifique publiée à son sujet. En effet, dès les années quarante, les mesures de masse atomique et les schémas nucléaires établissaient que 209Bi, le seul isotope naturel du bismuth qui soit abondant (la quasi-totalité de cet élément), devait se transformer en thallium 205, plus stable, en rejetant un noyau d'hélium (particule alpha). Mais voilà, on n'avait jamais pu observer cette désintégration alpha. Et pour cause : due à sa structure nucléaire, la probabilité de désintégration de 209Bi est extrêmement faible, l'énergie des particules alpha émises aussi. Les expériences de détection, infructueuses, avaient cependant pu confirmer la rareté du phénomène : la période radioactive de 209Bi devait être supérieure à 21 018 ans ! Une période si longue (près de 400 millions de fois l'âge de la Terre…) que 209Bi était communément admis comme l'isotope stable le plus lourd de la nature.

En se basant sur l'hypothèse de sa désintégration alpha, l'équipe de l'IAS a calculé pour 209Bi une demi-vie d'environ 1,9 1019 ans et elle a pu mesurer précisément la libération d'énergie associée à cette désintégration : 3 137 keV. Ces deux valeurs sont en excellent accord avec les prévisions théoriques, remises à jour à la lumière des tables de masse et d'énergie les plus récentes.

Les astrophysiciens de l'IAS ne se sont pas arrêtés à cette nuit de mars 2002. Ils ont effectué de nombreux tests afin de valider leur hypothèse : changement de la cible en germanate de bismuth pour une cible de masse double et vérification que le taux d'évènements était effectivement doublé, extension du temps de pose ; ils ont même traqué et analysé d'éventuelles impuretés capables de simuler le phénomène observé. Ils ont aussi effectué une calibration précise avec une source radioactive alpha d'énergie connue. L'hypothèse de la radioactivité alpha du bismuth 209 a ainsi pu être confirmée sans aucune ambiguïté. Si bien qu'en avril 2003 la détection de la radioactivité alpha du bismuth 209 par l'équipe de l'IAS était publiée dans Nature, revue d'audience internationale, qui avait présenté les premières recherches sur le sujet en…1949 !

Une sensibilité qui peut être mise au service de nombreuses expériences

Cette détection d'un évènement rarissime, libérant une énergie d'une faiblesse extrême – 3 137 keV, soit…5,0 10-13 joules ! - est une démonstration incontestable de l'efficacité de la technique de détection mise au point à l'IAS. Une technique qui, en dehors de la détection en souterrain de la matière noire, peut être mise au service de nombreuses recherches : "Les bolomètres scintillants refroidis à très basse température seront vraisemblablement amenés à jouer un rôle de premier plan dans la détection d'évènement rares, de réactions nucléaires très improbables ou dans la recherche de traces infimes de radioactivité…" souligne Pierre de Marcillac. Les recherches se poursuivent en 2008, toujours plus difficiles à mesure que les niveaux de "bruit de fond" sont réduits. Les différentes équipes européennes qui développaient jusque-là leurs propres bolomètres en compétition réfléchissent à la meilleure façon de mettre en commun leurs compétences au service d’une seule expérience, très ambitieuse : EURECA (European Underground Rare Events Calorimeter Array) vise ainsi une tonne de détecteurs refroidis et un bruit de fond réduit d’un facteur 100 par rapport aux meilleures valeurs actuelles. Le très grand accélérateur LHC devrait par ailleurs donner des indications sur la pertinence de ces recherches de particules exotiques après son démarrage prévu en 2008.

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