Qu’est-ce que la matière noire ?

En bref : nous ne savons pas. Jusqu’à présent, personne n’a jamais vu directement de matière noire, mais nous avons observé les effets gravitationnels de la matière noire sur les galaxies lointaines. Pour que les galaxies se comportent comme elles le font, il doit y avoir beaucoup plus de masse qui est responsable de ces effets que nous pouvons observer. Donc, si nous ne pouvons pas le voir directement, comment savons-nous que la matière noire existe ?

Saisir UdeS et 3IT

Les chercheurs de l’UdeS et de l’Institut interdisciplinaire d’innovation technologique (3IT – également situé à Sherbrooke) peuvent aider à fournir une solution. Ils développent un Single-Photon Avalanche Diode (SPAD), une classe de photodétecteur qui peut détecter les signaux de faible intensité jusqu’à des particules de lumière individuelles, appelées photons. En comptant numériquement les photons individuels, les capteurs SPAD peuvent obtenir des performances exceptionnelles, même dans des conditions approchant l’obscurité presque totale.

« CMC nous a fourni des outils qui seraient autrement hors de portée »

Le capteur SPAD est ensuite intégré en 3D sur l’électronique CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire, une technologie en constante évolution). Le capteur SPAD et l’électronique CMOS tirent parti du fait que la lumière est composée de particules. Le CMOS contrôle, lit et traite les données du capteur SPAD. Nicolas Roy, chercheur au 3IT, souligne que cela permet de détecter indirectement les particules de matière noire via le SPAD. Ensuite, la couche CMOS en dessous peut analyser ces alertes et les convertir en données utiles.

CMC a fourni l’équipe de Sherbrooke avec un soutien technique et un accès subventionné pour la fabrication du capteur. Il leur a également donné accès à de précieux outils de conception et à des licences logicielles, ainsi qu’au trousse de conception du procédé (Process Design Kit – PDK) des fabricants d’appareils pour aider l’équipe à entreprendre des simulations et des conceptions. « CMC nous a fourni des outils qui, autrement, seraient hors de portée », a déclaré M. Roy.

Le système SPAD/CMOS peut également être reconfiguré pour répondre à différentes questions et aider à détecter différentes particules, ce qui lui donne un large éventail d’utilisations potentielles.

Un effort international

L’un des principaux projets consistera en des expériences à deux kilomètres sous la surface de la Terre dans SNOLAB, le laboratoire blanc le plus profond au monde, construit dans la mine Creighton près de Sudbury, en Ontario. Ici, des centaines de mètres carrés de capteurs de l’equipe de l’UdeS participeront à une étude internationale pour détecter la matière noire. Le capteur a été présélectionné pour rejoindre cette expérience « ARGO » impliquant son immersion dans une pièce souterraine noire, remplie de 300 tonnes d’argon liquide réfrigéré à -186,15 ° C. Protégé par la roche des rayons cosmiques du soleil qui pourraient compromettre les résultats de l’expérience, l’objectif est de détecter la lumière créée par le mouvement des particules Weakly Interacting Massive Particles – (WIMPs) par des physiciens qui croient qu’ils pourraient comprendre de la matière noire.

Les capteurs de Sherbrooke sont disponibles en deux variétés – de grands détecteurs pour une utilisation dans de grandes expériences telles que les études sur la matière noire et les neutrinos, mais aussi des configurations plus petits, pour des utilisations plus pratiques, avec des retombées commerciales potentiellement importantes, telles que l’imagerie médicale et la distribution de clés quantiques, où ils chiffrent les messages électroniques afin qu’ils ne puissent pas être lus par les ordinateurs quantiques.

Tommy Rossignol, chercheur de l’UdeS, a déclaré que l’adaptabilité et la sensibilité des systèmes SPAD / CMOS a suscité « beaucoup d’intérêt pour ces applications… » Et les applications industrielles potentielles sont vastes : « À ce stade, nous sommes simplement limités par notre créativité ou notre imagination », a-t-il déclaré.

Les prochaines étapes

Comprendre la matière noire peut percer les mystères fondamentaux de l’univers qui ont fasciné l’humanité depuis la nuit des temps. Plus près de chez nous, de nombreux physiciens espèrent que la matière noire pourrait se révéler être comme les ondes radio, la lumière infrarouge, les rayons X et les rayons gamma – impossible à voir, mais utilisé tous les jours pour de nouvelles innovations une fois compris.

Photo courtoisie Université de Sherbrooke

décembre 2023