Déteteurs pour la recherche des particules "axion-like" – DALPS

DALPS a l'ambition de créer un nouveau consortium regroupant des détecteurs Micromegas, des Transition Edge Sensors (TES), des Metallic Magnetic Calorimeters (MMC) et des Silicon Drift Detectors (SDD) qui amélioreront la sensibilité des détecteurs de rayons X dans le contexte de l’International AXion Observatory (IAXO) dont le but principal est de rechercher de nouvelles particules fondamentales hypothétiques appelées axions venant du Soleil. Les détecteurs développés dans DALPS seront installés dans BabyIAXO, une phase expérimentale intermédiaire de IAXO.
Les axions sont l’une des solutions les plus prometteuses pour expliquer l’absence de violation de la symétrie charge-parité dans l’interaction forte. Des particules plus génériques de type axion (ALPS) sont invoquées dans un certain nombre de scénarios cosmologiques et astrophysiques. Ces particules neutres et très légères interagissent si faiblement avec la matière ordinaire qu'elles pourraient contribuer à la matière noire. Un certain nombre d'anomalies astrophysiques de longue date pourraient également être résolues par la présence d'axions. Les hélioscopes recherchent les axions produits au centre du soleil par la conversion de photons du plasma en axions, créant un flux d'axions solaires avec une distribution allant de 1 à 10 keV.
En termes de rapport signal sur bruit de fond, IAXO atteindra une sensibilité supérieure de 4 à 5 ordres de grandeur comparée aux meilleures limites obtenues par l’expérience CAST, en utilisant un aimant optimisé équipé d'une optique couplée à des détecteurs X de faible bruit de fond. Le gain de sensibilité s’est traduit en un facteur ~ 20 en termes de couplage axion-photon. Pour atteindre cet objectif, les niveaux de bruit de fond requis sont extrêmement ambitieux: 10-7 coups keV-1 cm-2 s-1, un facteur 10 meilleur par rapport aux niveaux actuels. L'objectif de DALPS est de construire des détecteurs de rayons X à haute sensibilité et à faible bruit de fond, éléments clés de la sensibilité d'un hélioscope, pour le rapport de conception technique.
Les détecteurs Micromegas constituent la technologie de référence des détecteurs à rayons X de BabyIAXO. Cependant, d'autres technologies telles que TES, MMC et SDD affichent un seuil d'énergie inférieur et une meilleure résolution en énergie. Pourtant, leur niveau de bruit de fond dans notre région d’intérêt n’a jamais été étudié. Les quatre technologies seront optimisées en termes d'efficacité, de niveau de fond, de résolution en énergie et de seuil. Le synchrotron SOLEIL sera disponible pour évaluer la performance à différentes énergies. Les avantages de proposer quatre technologies sont doubles: (i) un seuil d’énergie inférieur au keV permettra d’étudier les structures fines dans le spectre des axions et étendra le cas physique de babyIAXO, permettant ainsi des mesures de précision en cas de découverte et (ii) ) si des performances équivalentes étaient atteintes, la configuration idéale pour babyIAXO, et éventuellement IAXO, serait une combinaison des différentes technologies, car en cas de signal, cette configuration minimiserait les effets systématiques et renforcerait la revendication de découverte. En outre, une étude sur les moyens d'optimiser la sensibilité de l'IAXO au régime de masse élevée (ma ~ eV) sera réalisée en tenant compte de la complémentarité des recherches dans les hélioscopes et les détecteurs de cristaux.
Les axions théoriquement motivés et les ALPS sont accessibles aux expériences actuelles et une grande partie de l'espace des paramètres explorés par IAXO, n'est accessible par aucune autre technique expérimentale. DALPS contribuera à la faisabilité de babyIAXO et de IAXO dans un contexte où 18 institutions mondiales, y compris le CERN et DESY, ont manifesté leur soutien. DALPS permettra d’établir une contribution française visible dans une expérience qui jouera un rôle de premier plan dans la frontière des basses énergies au cours des prochaines années.