Les bolomètres sont des détecteurs de très haute sensibilité, que les
astronomes utilisent notamment en vue d'essayer de résoudre l'une
des énigmes majeures de la cosmologie contemporaine : l'existence et
la nature de la « matière noire. » Celle-ci représenterait près de 90%
de la matière de notre Univers. Elle se manifeste par ses effets
gravitationnels mais elle échappe pour l'instant à toute détection. À
l'Institut d'Astrophysique Spatiale, notre équipe a développé un
nouveau type de bolomètre capable de la mettre en évidence. Sa très
grande sensibilité a déjà permis de révéler une désintégration
rarissime, celle de l'isotope 209 du bismuth, que l'on croyait
stable.


L'outil : le bolomètre





Un bolomètre est une cible refroidie, sur laquelle est collée une
résistance électrique variant avec la température -  appelée
« thermistor » -  et parcourue par un courant constant (Figure
2). Il est utilisé couramment suivant deux modes d'observation bien
distincts : un mode détection de particules ou un mode photométrique,
selon que l'on souhaite mesurer respectivement l'énergie laissée par
une particule dans la cible, ou une énergie incidente portée par un
paquet de photons. Le principe de la mesure est identique dans les
deux cas : lorsqu'une particule, ou un flux lumineux, est absorbée
par la cible, l'énergie déposée est convertie en chaleur et l'
élévation de température du cristal ainsi produite, qui est
directement proportionnelle à ce dépôt d'énergie, est détectée au
niveau du thermistor comme une variation de tension, amplifiée et
enregistrée. La chaleur est ensuite évacuée par la « fuite thermique »
en quelques millisecondes (Figure 2). Le choix des cibles est vaste,
mais les cibles les plus sensibles dans le mode détection de
particules sont des cristaux isolants et durs. Le diamant (naturel) ou
le saphir (synthétique), autrefois utilisés dans les pointes des
phonographes, sont ainsi couramment utilisés. Dans le mode
photométrique, on dépose sur le cristal précédent un film absorbant
noir, souvent en bismuth, dont on met à profit les propriétés de
semi-métal, mi-métal, mi-isolant.  Le signal bolométrique consiste en
une élévation de température. Celle-ci est d'autant plus importante
que la cible est initialement placée dans l'état microscopique le
plus ordonné possible. Ceci est réalisé en refroidissant le bolomètre
à très basse température, tout comme les molécules d'eau d'un glaçon
y sont mieux ordonnées que dans une goutte liquide. Alors qu'à la
température ambiante, l'échauffement du cristal de la cible ne se
compterait qu'en millionièmes de millionièmes de degrés (une quantité
indétectable), aux très basses températures, proches du zéro
absolu* (en pratique, moins de 100 mK), le signal devient mesurable,
quoique nécessitant des thermomètres ultrasensibles. La technique
cryogénique employée est celle des réfrigérateurs à dilution, qui
utilisent les propriétés thermodynamiques d'un mélange des deux
isotopes de l'hélium, 3He et 4He, pour atteindre de façon continue
ces très basses températures.  La sensibilité de ce détecteur devient
alors fantastique : un bolomètre sur la Lune monté derrière un
objectif photo détecterait une cigarette allumée sur la Terre ! Elle
est encore à peine exploitée. Elle permet de réaliser des expériences
aussi variées que la détection en souterrain de la « matière noire »
cosmologique, la mesure très précise du rayonnement fossile
cosmologique, derrière un télescope et/ou en satellite, la
détection d'événements rarissimes ou la spectroscopie à très haute
résolution de toutes sortes de rayonnements...<p>



Notre approche : le bolomètre scintillant





Figure: Notre bolomètre scintillant est constitué d'un cristal
capable de convertir un rayonnement incident tout à la fois en un
échauffement et en une émission de lumière. Le premier est détecté par
le bolomètre massif de gauche (via un thermistor en germanium dopé par
transmutation de neutron, « NTD »), la seconde par le bolomètre fin de
droite qui est également lu par un thermistor NTD. Les sources de
rayonnement annexes, en vert, permettent de calibrer le détecteur :
une source de rayons X pour la détection de lumière, une source
radioactive en américium pour la détection de chaleur. Le rayonnement
d'excitation d'une diode électroluminescente, émettant dans le
proche infrarouge, est en outre apporté via une fibre optique.



De notre côté, nous étudions à l'Institut d'Astrophysique Spatiale
les propriétés de discrimination permises par une mesure simultanée
« lumière & chaleur » sur des bolomètres scintillants. Ce montage
combine les deux modes de détection traditionnels des bolomètres
(Figure 3) : le bolomètre principal est constitué d'une cible
scintillante qui, en plus de s'échauffer, émet des photons lorsqu'
elle détecte une particule ; un bolomètre annexe, qui lui est couplé
optiquement, mesure les photons émis par le premier (mode
photométrique). Les principes physiques de sélection des particules
sont identiques aux précédents. Des taux excellents de réjection ont
ainsi pu être obtenus par notre équipe dans des bolomètres
scintillants de 54g en CaWO4, de 46g en BGO (germanate de bismuth), de
50g en saphir (Al2O3)...Les deux techniques sont assez
complémentaires : l'avantage majeur des bolomètres scintillants est
qu'ils sont généralisables à de nombreuses cibles potentielles, alors
que les semi-conducteurs disponibles se restreignent aux seuls
germanium et silicium. Cependant, nous ne bénéficions pas des
développements industriels très importants qui ont amené ces deux
matériaux vers des niveaux de pureté inégalés (pour les besoins de la
technologie des composants électroniques), et nous devons explorer
nous-mêmes les propriétés scintillantes des matériaux que nous
utilisons à très basse température, faute de données.  Toutefois cette
recherche est très gratifiante : chaque nouvelle cible scintillante
montée en bolomètre, choisie le plus souvent dans le catalogue « à 300
K » des physiciens nucléaires, s'avère un nouveau détecteur
performant lorsqu'il est revêtu de ses nouveaux habits
bolométriques. Les bolomètres scintillants combinent en effet l'
excellente résolution en énergie de la technique bolométrique au fort
pouvoir d'identification permis par la mesure simultanée des deux
signaux de lumière et de chaleur. C'est ainsi que nous avons pu
détecter assez aisément à l'IAS la rarissime radioactivité naturelle
du bismuth (encadré). Un signe qui laisse entrevoir des retombées
futures à ces recherches, même si la matière noire n'est finalement
pas là où on l'attend...Le cas échéant, nos équipes manqueront pas de
travail pour autant, car un autre dossier « chaud » cosmologique
attend les bolomètres.