Recherche des WIMPs très légers avec le détecteur sphérique – NEWS

Le composant principal est un grand compteur proportionnel sphérique de 1,4 m de diamètre pouvant atteindre 10 bar de gaz à haute pression. Un tel détecteur se compose d'une enceinte métallique sphérique et d'une petite bille métallique (environ 2 mm de diamètre) située au centre de l’enceinte, également appelée capteur. Le capteur est maintenu au centre de la sphère par une tige et est réglé à une haute tension. Le champ électrique permet aux électrons d'ionisation d'une interaction de particules à l'intérieur du volume de dériver vers le capteur où une avalanche est formée, ce qui permet une amplification du signal. Le détecteur sera installé à SNOLAB, qui se trouve à 2 km de profondeur dans la mine Vale Creighton près de Sudbury Ontario / Canada. Le détecteur sera entouré d'un blindage radio-pur approprié pour absorber les rayons gamma et les neutrons de l’environnement. L'air libre de radon sera utilisé pour rincer le volume entre la sphère et le blindage principal lors de la prise de données. Un détecteur similaire, de 60 cm de diamètre, servira à valider le concept du détecteur SNOLAB.

L'expérience NEWS à Modane (LSM) impose de nouvelles contraintes sur la section efficace de diffusion de WIMP-nucleon, indépendante du spin, pour une masse inférieure à 0,6 GeV et exclut à 90% le niveau de confiance (CL) une section efficace de 4,8 × 10-37 cm2 pour une masse du WIMP de 0,5 GeV . Nous démontrons ainsi le fort potentiel du compteur proportionnels sphérique pour la recherche de WIMP à faible masse. La prochaine phase de l'expérience s'appuiera sur les connaissances acquises à partir du prototype opérationnel au LSM. Développement important: Un concept novateur d'amplification proportionnelle du gaz pour la lecture du compteur proportionnel sphérique a récemment été développé. L'objectif est d'améliorer les performances pour de grandes détecteurs sphériques de diamètre (1> m) et pour un fonctionnement à haute pression. Nous avons développé un système de lecture par multi-billes qui se compose de plusieurs billes assises à une distance fixe du centre de l’enceinte sphérique. Un tel objet peut régler le champ électrique de volume à la valeur souhaitée et peut également fournir une segmentation du détecteur avec une lecture individuelle de chaque bille. Dans ce cas, le grand volume de l’enceinte devient une chambre sphérique de projection temporelle avec une capacité tridimensionnelle.

Les caractéristiques principales du détecteur sont: le seuil d'énergie au dessous du keV, la fiducialisation et le rejet de fond par analyse de la forme de l'impulsion, capacité à fonctionner à des pressions allant jusqu'à 10 bars, des dizaines de kg de gaz avec différentes cibles légères telles que les noyaux H, He et Ne, sont des avantages d'une importance capitale. Un tel détecteur aura une sensibilité sans précédent à la gamme de masse de 0,1 à 10 GeV pour des particules de la matière noire et le résultat aurait un impact scientifique extraordinaire. Le concept proposé du détecteur gazeux sphérique pour la détection de particules de masse très faibles de la matière noire peut également être utilisé pour d'autres applications, mais avec un dimensionnement nouveau et des contraintes et des paramètres de fonctionnements très différents.

Publications recentes [1] First results from the NEWS-G direct dark matter search experiment at the LSM, NEWS-G Collaboration, submitted to Astroparticle Physics Journal (arXiv:1706.04934). [2] Low energy recoil detection with a spherical proportional counter, Nucl. Instr. Meth. A (arXiv:1606.02146). [3] Neutron spectroscopy with the Spherical Proportional Counter based on nitrogen gas Nucl Instr. Meth. A847 (2017) 10. [4] A multiball read-out for the Spherical Proportional Counter, submitted to J. of Instrumentation (arXiv:1707.09254). Brevets 1. G. Gerbier, I. Giomataris, Th. Papaevangelou and I. Savvidis, BD14437SG 2. I. Giomataris, J. Derre, P. Magnier, CEA patent, BD15937SG ? 3. I. Giomataris, J. Derre, P. Magnier, CEA patent, BD16064SG

Le projet NEWS concerne la recherche directe de particules de matière noire de très basse masse, entre 0.1 et 10 GeV. Suite à l’absence de SUSY au LHC et de déviations par rapport au modèle standard, la matière noire, ingrédient indispensable à notre compréhension de l’Univers, est l’un des seuls indices d’une nouvelle physique. Dans de nombreux modèles alternatifs, les particules candidates peuvent être moins massives qu’anticipées. La recherche d’une telle matière noire légère nécessite une nouvelle technique de détection. Le but est de construire un détecteur sphérique de 2 m dans l’infrastructure souterraine de SNOLAB avec le but d’obtenir une sensibilité bien meilleure que les autres expériences. La grosse partie du budget (2 M$) assurée par un contrat d’excellence de l’université de Queen’s est consacrée à l’enceinte et l’infrastructure. La demande ANR concerne des parties critiques du projet: le senseur de basse radioactivité, l’électronique, l’acquisition des données et la calibration. Un détecteur existant au laboratoire souterrain LSM est le prototype dans lequel les différentes composantes du projet devraient être validées. En effet le niveau de bruit de fond très compétitif obtenu par ce détecteur, en fait un environnement idéal pour tester les éléments clés du projet SNOLAB. Les caractéristiques principales du projet sont: seuil en énergie au dessous du keV, fiducialisation et rejection de bruit par une analyse du pulse, possibilité de fonctionner à des pressions jusqu’à 10 bars et obtenir des dizaines de kg de masse en H, He et Ne. Un tel détecteur présente une avancée inégalée pour des masses de 0.1-10 GeV avec des sections efficaces indépendantes du spin par nucléon jusque 10-6 pb. Nous aimerons souligner aussi que cette expérience peut être réalisée avec un cout modeste bien que son impact devrait être majeur.