1 - Détection directionnelle de matière sombre avec MIMAC
La présence de matière sombre non-baryonique dans l'Univers est déduite de nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques. En particulier, le désaccord entre les courbes de rotation des galaxies spirales et la loi de Newton suggère la présence d'un halo englobant notre galaxie et composé de particules neutres, stables et massives (nommées WIMP).
Le neutralino constitue l'un des candidats privilégiés à cette matière sombre. Il est postulé par les extensions supersymétriques du modèle standard de la physique des particules. Il est remarquable qu'il soit prédit pour des raisons indépendantes de la problématique de la matière sombre et qu'il remplisse toutes les conditions nécessaires.
Cette thématique se situe donc à l'interface entre la physique des particules et la cosmologie.
La détection de ces particules peut notamment se faire de manière directe en mesurant l'énergie déposée lors de leur diffusion élastique sur un noyau cible du détecteur. Cela implique le développement de détecteurs : très massifs (de l'ordre de la tonne), blindés, placés en laboratoire souterrain et munis d'un très grand pouvoir de rejet du bruit de fond (photons, neutrons, muons).
La détection directionnelle constitue une alternative, en proposant de reconstruire la cinématique de l'interaction WIMP-noyau, c'est-à-dire en ajoutant l'information sur la trace du recul à celle sur l'énergie déposée. L'idée est de profiter du mouvement du système solaire autour du centre galactique et à travers le halo de matière sombre. On observe ainsi un vent relatif de WIMP en provenance de la direction vers laquelle se dirige le système solaire. Par conséquent, une expérience sensible à la direction d'interaction devrait observer un excès d'événements dans cette direction, clairement discriminable du bruit de fond, isotrope dans le référentiel galactique.
Le projet MIMAC est une étape vers la définition d'un grand détecteur à trace pour la matière sombre. Le projet est porté par le LPSC en collaboration avec lÍRFU-CEA Saclay, le CPPM de Marseille et l'IRSN Cadarache. Il ambitionne la construction d'une matrice de micro-TPC (Chambre à Projection Temporelle) utilisant des détecteurs Micromegas. L'idée est de proposer un détecteur permettant de reconstruire la cinématique de l'interaction WIMP-noyau. Il est donc nécessaire de tirer toute l'information du noyau de recul : l'énergie et la trace en 3 dimensions. Ces grandeurs sont nécessaires, de même que le sens de parcours de la trace du recul, pour mener à bien une détection directionnelle et ainsi aller vers l'identification de la matière sombre.
2 - NEWS-G (New Experiments for Wimp search with Spherical detector - Gas)
NEWS project is dedicated to the direct search for very-low mass Dark Matter particles named WIMPs, from 0.1 to 10 GeV. Given the recent absence of evidence at LHC for SUSY and departure from the standard model of particle physics, the Dark Matter, an essential ingredient to understand our Universe, appears as one of the only evidence for new physics. In particular, in a number of new models, the preferred particle candidates are less massive than anticipated. Search of such light Dark Matter requires new detection technology.
After continuation of taking data at LSM using current detector for about two years with the goal to improve the sensitivity, which is already impressive compared to existing experiments, the main goal of the NEWS project is to build a larger (2 m in diameter) radio-pure spherical detector that would operate at SNOLAB underground environment with the aim to reach sensitivity for light Dark Matter search much higher than any other experiment.
The gas detector used mainly benefits from the following advantages: light target and hence higher momentum transfer from light WIMPs scattering. Lighter atoms have also lower quenching (part of the energy loss ionizing the medium) and combining the low energy threshold (thanks to the multiplication process) thus allowing for better sensitivity to light WIMPs. The MIMAC team is responsible for studying the quenching factors (QF) in the gas detector. Various experimental techniques have been proposed to detect nuclear recoil produced by scattering of WIMP Dark Matter particles on heavy elements. Most of these investigations were done at higher energies down to about 10 keV. Because the value of QF at very low energy is crucial for experiments, the MIMAC team propose to measure the quenching factor in Argon, Neon, Helium and Hydrogen down to sub-keV energy range.
