Des chercheurs du MIT ont récemment publié les premiers résultats d’une expérience visant à rechercher la matière noire axionnelle en sondant la biréfringence des ondes électromagnétiques induite par les axions. Bien que ces résultats, publié dans Lettres d’examen physiquen’ont pas conduit à l’observation de signaux associés à ces hypothétiques particules de matière noire, ils ont établi une nouvelle technique de recherche d’axions à l’aide d’une cavité optique accordable.
« L’expérience a été proposée en 2019 dans le cadre d’une collaboration entre notre laboratoire et nos collègues du Centre de physique théorique du MIT, alors que nous réfléchissions à de nouvelles façons de rechercher une hypothétique particule de matière noire appelée axion », a déclaré Evan Hall, chercheur scientifique à Le laboratoire LIGO du MIT, a déclaré à Phys.org.
« Toute interaction observable entre les axions et la matière standard devrait être très faible. Nous avons réalisé que le problème de la recherche d’un signal faible était un problème très similaire à celui de la détection des ondes gravitationnelles, qui est un autre type de signal très faible. détecté seulement récemment.
Après diverses discussions et considérations théoriques, Hall et ses collègues ont réalisé que les lasers et les outils optiques actuellement utilisés par l’expérience LIGO pour détecter les ondes gravitationnelles pouvaient être réutilisés pour mener des recherches d’axions. Cela a donné naissance à l’expérience Axion Dark-Matter Birefringent Cavity (ADBC), qui a commencé à collecter des données en 2022.
« Nous voulions démontrer expérimentalement comment utiliser ces outils pour réaliser une recherche d’axions », a expliqué Hall. « La lumière se présente sous deux polarisations : horizontale et verticale. Les axions, s’ils existent, sont censés convertir une polarisation en l’autre. Dans notre laboratoire, nous utilisons un laser pour générer une lumière polarisée verticalement, et nous recherchons tout indice indiquant que les axions ont une polarisation verticale. a converti une partie de cette lumière en polarisation horizontale.
Le détecteur sur lequel s’appuie l’expérience ADBC est composé de 4 miroirs disposés pour former une cavité optique (c’est-à-dire une structure qui piège la lumière). Cette cavité optique stocke et fait recirculer les faisceaux lumineux provenant d’un laser des milliers de fois, ce qui améliorerait les faibles signaux d’axions.
Au cours des premières étapes de l’expérience, Hall et ses collègues ont utilisé le détecteur pour rechercher des axions dont la masse était d’environ 50 neV (environ 10 à 40 grammes). Notamment, une autre équipe de recherche basée au Royaume-Uni a récemment recherché des axions ayant des masses autour de 2 neV en utilisant un appareil ressemblant à celui utilisé au MIT.
« Nos travaux ont montré que ce nouveau type de cavité peut être réglé pour élargir la gamme de masses d’axions possibles pouvant être recherchées », a déclaré Swadha Pandey, doctorant de quatrième année. étudiant au MIT.
« Plus précisément, nous avons montré que la cavité peut être réglée en ajustant les angles de ses quatre miroirs. L’accordabilité est un critère important pour rendre l’appareil utile pour la recherche de matière noire. Puisque personne ne sait quelle pourrait être la masse des axions, nous devons rechercher sur un large éventail de masses possibles.
Les premiers résultats de l’expérience ADBC imposent des contraintes sur le couplage des particules de type axion et des photons. Bien qu’ils n’aient pas détecté d’axions jusqu’à présent, ils pourraient inspirer des efforts de recherche supplémentaires visant à détecter ces hypothétiques particules de matière noire à l’aide de cavités optiques, contribuant ainsi potentiellement à leur découverte expérimentale.
« Après avoir montré que cette méthode peut fonctionner sur une large gamme de masses d’axions, la prochaine étape consisterait à construire une expérience plus grande et plus sensible », a ajouté Pandey.
« Une telle expérience utiliserait plus de lumière laser, de sorte qu’il y ait plus de photons interagissant avec les axions, et l’expérience serait plus grande, pour augmenter le temps pendant lequel les photons peuvent interagir avec les axions. Automatisation du mécanisme de réglage et conceptions intelligentes pour les revêtements miroir sont également essentiels pour le balayage de toute la gamme disponible de masses d’axions.
Plus d’informations :
Swadha Pandey et al, Premiers résultats de l’expérience Axion Dark-Matter Biréfringent Cavity (ADBC), Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.111003.
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