Comment les nanoexplosifs pourraient aider à résoudre l'un des plus grands mystères de l'astrophysique

L'un des grands mystères de l'astrophysique moderne est la nature de la matière noire. C'est la substance mystérieuse qui, selon les astrophysiciens, doit exister pour fournir les forces gravitationnelles nécessaires pour maintenir les galaxies ensemble.

Le consensus général est qu'il y a environ cinq fois plus de matière noire que de matière visible dans l'univers. Et cela soulève des questions évidentes : qu'est-ce que c'est et comment pouvons-nous le détecter ?

Ces questions ont déclenché une course tout-puissante parmi les physiciens pour détecter la matière noire et mesurer ses caractéristiques. Mais les résultats de leurs expériences sont déroutants et contradictoires. Certains laboratoires prétendent avoir détecté la substance tandis que d'autres semblent exclure cette possibilité.

Ce qu'il faut, bien sûr, c'est plus de données provenant d'une plus grande variété de détecteurs. Et aujourd'hui, Alejandro Lopez-Suarez de l'Université du Michigan à Ann Arbor et quelques amis proposent une idée originale. Ils espèrent détecter la matière noire par l'effet qu'elle a sur les explosifs.

Leur plan est de créer de petites particules explosives suffisamment sensibles pour exploser lorsqu'elles sont touchées par un morceau de matière noire. Après avoir fait cela, les physiciens s'assoient alors et attendent le feu d'artifice qui s'ensuit.

La technologie clé derrière ce plan est le développement de granulés de matériaux thermite qui explosent lorsqu'ils entrent en contact avec un agent oxydant. Les ingénieurs utilisent depuis longtemps des granulés à l'échelle du micron, mais ces dernières années, ils ont également commencé à développer des granulés de taille nanométrique.

Les matériaux impliqués sont relativement simples. Les nanoparticules peuvent être constituées d'un métal tel que l'aluminium ou l'ytterbium et l'agent oxydant pourrait être quelque chose d'aussi simple que de l'oxyde de fer.

Avec suffisamment d'énergie pour déclencher la réaction, le métal se réchauffe et réagit pour former un oxyde métallique. Lorsqu'une [particule de matière noire] frappe la couche métallique, le métal peut chauffer suffisamment pour surmonter la barrière d'énergie chimique entre le métal et l'oxyde métallique, selon Lopez-Suarez and co. Une explosion en résulte.

La conception d'un tel détecteur est également relativement simple. Il est composé d'un grand nombre de cellules isolées les unes des autres. Chaque cellule est constituée d'un gel oxydant dans lequel sont noyées des nanoparticules métalliques.

Un détecteur complet aurait besoin de plusieurs cellules, peut-être 10^14 d'entre elles, pour créer un désordre cible d'environ un kilogramme. Les physiciens peuvent observer ce qui se passe en écoutant les explosions au fur et à mesure qu'elles se produisent.

Cette conception présente un certain nombre d'avantages par rapport aux détecteurs actuels. La première est qu'il est relativement facile de distinguer les particules de matière noire du bruit de fond créé par les rayonnements ionisants, par exemple.

Lorsqu'une particule de matière noire heurte une nanoparticule, celle-ci se réchauffe et déclenche une micro explosion. Cela réchauffe d'autres nanoparticules à proximité, provoquant une réaction en chaîne qui se propage à travers la cellule. Le résultat est qu'une seule cellule à l'intérieur du détecteur explose.

En revanche, les rayonnements ionisants, tels qu'une particule alpha, traverseraient de nombreuses cellules, les faisant toutes exploser. Ainsi, la signature de l'explosion d'une seule cellule peut être facilement distinguée des traces créées par le bruit de fond.

Un autre avantage est que ce mécanisme de réaction en chaîne amplifie le signal d'une seule particule de matière noire, ce qui le rend plus facile à repérer. Et il a également un seuil d'énergie bas permettant de détecter également des particules de matière noire relativement légères.

Une question importante, bien sûr, est de savoir si un tel détecteur fonctionnerait. Lopez-Suarez et ses collègues ont analysé les chiffres et déterminé que des nanoparticules d'aluminium ou d'ytterbium intégrées dans un gel oxydant et maintenues à la température de l'hydrogène liquide devraient faire l'affaire.

C'est une idée intéressante. La prochaine étape serait de commencer à tester ces matériaux pour voir comment ils pourraient être combinés dans un prototype de détecteur. Un problème intéressant pour ce groupe est de savoir comment fabriquer un tel détecteur à la surface de la Terre où le bruit de fond des rayonnements ionisants est susceptible d'être élevé.

De nombreuses expériences sur la matière noire sont hébergées dans des mines souterraines profondes pour cette seule raison. Ce nouveau pourrait également avoir besoin d'être logé sous terre et probablement aussi fabriqué là-bas.

Il existe actuellement un intérêt considérable pour de nouveaux types de détecteurs de matière noire. L'année dernière, nous avons examiné une conception impliquant une chambre de suivi d'ADN qui repère les particules de matière noire par l'effet qu'elles ont sur des brins simples d'ADN.

C'est une autre approche tout aussi innovante. Il sera intéressant de voir si l'un d'entre eux voit le jour (pour ainsi dire, tousser).

Réf : http://arxiv.org/abs/1403.8115 : Nouveaux détecteurs de matière noire utilisant des explosifs à l'échelle nanométrique

cacher