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Le Bolomètre

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


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

  • actualisé le : Mecredi 13 Février 2008
  • paru le : Mecredi 1 Septembre 2004
  • journaliste : S. Furois
  • expert : P. de Marcillac
  • 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 Bolomètre

Ce 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 Spatiale

L’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 galactique

Effet 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 cosmologique

Cette 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 Tobazo

Le 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…

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