Depuis les années 1960, de nombreuses preuves étayent l’existence de la matière noire grâce à des observations astrophysiques et cosmologiques, et à ce stade, nous sommes très confiants dans son existence. La question demeure cependant : de quoi est réellement constituée la matière noire ?
Axions : une solution deux pour un ?
Au fil des décennies, de nombreux candidats à la matière noire sont apparus, tels que les particules massives à faible interaction (WIMP), les neutrinos et les trous noirs primordiaux. Des candidats tels que les WIMP ont été théorisés à l’origine parce qu’ils possèdent des propriétés qui répondent à des problèmes dans d’autres domaines de la physique. Un autre candidat qui pourrait répondre à certaines questions épineuses de physique s’appelle l’axion.
Les axions ont été initialement théorisés comme une solution à une question de physique des particules connue sous le nom de Problème de CP fort, mais les physiciens ont également réalisé que les axions pouvaient être produits d’une manière qui satisferait aux exigences exigeant qu’ils soient de la matière noire. Ce sont ces particules que recherchent les expériences DMRadio.
Schémas de détection d’axions
Lorsque nous élaborons de nouvelles théories en physique des particules, nous essayons de résoudre des problèmes existants sans en créer de nouveaux. Dans le cas des axions, nous résolvons le problème Strong CP tout en veillant, par exemple, à ce que nos théories obéissent à la relativité restreinte, au modèle standard et à d’autres faits établis en physique. Les nouveaux modèles de physique des particules devraient interagir de toutes les manières possibles avec nos modèles établis, à condition que ces interactions ne brisent pas notre théorie originale.
Pour les axions, cela signifie que même s’ils peuvent résoudre le problème de CP fort, ils peuvent également faire des choses plus familières qui pourraient nous permettre de les détecter plus facilement ; à savoir, lorsqu’ils rencontrent un champ magnétique dans l’espace, ils peuvent parfois interagir avec celui-ci pour produire un champ électrique.
Lorsque ce processus se produit, nous pouvons en fait considérer le champ électrique produit par l’axion comme quelque chose qui ressemble à un courant oscillant à une certaine fréquence. Puisque, bien sûr, la matière noire interagit si faiblement avec tout ce que nous savons, ce courant devrait être très, très faible ; environ 1016 fois plus petit que ce que vous obtiendriez dans une ampoule classique.
Alors, comment essayons-nous réellement de mesurer ce courant ?
Nous fabriquons des appareils qui résonneraient si ce courant était à l’intérieur : ce sont des appareils qui ressemblent à des circuits ou à des cavités métalliques. Par exemple, si vous tenez une corde de guitare tendue avec vos mains, elle oscillera ; mais si vous prenez ensuite cette corde et la placez sur le corps d’une guitare, le corps résonnera et rendra le son beaucoup plus fort. De la même manière, nous construisons des résonateurs qui, à bien des égards, ressemblent à des circuits, et qui rendent notre signal (électromagnétique) beaucoup plus fort.
DMRadio
Chez DMRadio, nous travaillons sur trois expériences qui recherchent des axions dans différentes gammes de fréquences (avec un certain chevauchement) ; ces expériences sont DMRadio-50L, DMRadio-m3 et DMRadio-GUT. Les noms des deux premières expériences font référence au volume approximatif du détecteur (respectivement 50 litres et un mètre cube), tandis que GUT fait référence à de grandes théories unifiées qui pourraient être responsables des types d’axions que l’expérience pourrait détecter.
Pour DMRadio-50L, nous utilisons un aimant toroïdal pour produire le champ magnétique (B0 sur la figure 2), ce qui implique que les axions produisent alors un courant oscillant qui circule en boucle (Jeff). À ce stade, le problème a été réduit à un problème d’électrodynamique classique : comment détecter un très petit courant oscillant dans un cercle ?
Pour mesurer ce signal, nous enroulons d’abord une gaine supraconductrice autour de notre aimant sur laquelle peuvent circuler les courants induits par les axions. Ensuite, au centre de notre gaine toroïdale, nous mettons un inducteur qui capte le flux magnétique produit par Jeff. Bien que cette configuration capte en théorie notre signal d’axion, nous améliorons le signal en connectant un condensateur accordable à l’inducteur ; cela rend le circuit résonant et accordable. En fin de compte, des capteurs comme les SQUID à courant continu ou les convertisseurs quantiques radiofréquences, que nos son propre laboratoire produitcaptez le signal d’axion.
Le DMRadio-50L est actuellement en cours d’assemblage sur le campus de Stanford, au sous-sol du bâtiment de physique et d’astrophysique, où il commencera bientôt à collecter des données. Les gammes de fréquences qu’il couvrira sont de 5 kHz à 5 MHz, ce qui correspond à des axions d’une masse de 20 peV/c2 à 20 neV/c2 ; c’est-à-dire plus de 20 000 milliards de fois plus léger qu’un électron (ces masses correspondent à la région jaune de la figure 1). Bien que cela ne soit pas sensible aux axions candidats les plus prometteurs, connus sous le nom d’axions QCD, il recherchera des axions qui n’ont été sondés par aucune autre expérience.
DMRadio-m3, bien que fonctionnant selon les mêmes hypothèses, a une géométrie différente (Figure 3). Au lieu d’utiliser un aimant toroïdal, nous utilisons désormais un aimant solénoïdal dans lequel le champ magnétique pointe principalement verticalement à l’intérieur de l’aimant, ce qui signifie que le courant axionique pointe également dans la même direction. Nous construisons ensuite un capteur coaxial sur lequel le flux magnétique de l’axion induit des courants. Nous ajustons ensuite à nouveau la résonance de cette structure à l’aide d’un condensateur. Cette expérience, en cours de construction au SLAC National Lab, recherchera des axions de masse plus élevée que le DMRadio-50L, à savoir des axions avec des masses de 20 à 830 neV/c2 (la zone verte sur la figure 1), et aura également la capacité pour découvrir les axions QCD.
La troisième expérience, DMRadio-GUT, est une future expérience qui est encore en phase de conception préliminaire. Nous prévoyons d’utiliser l’expérience acquise grâce à la conception et à l’exploitation de DMRadio-50L et DMRadio-m3 pour concevoir cette expérience, qui recherchera à terme des axions QCD d’une masse de 0,4 à 120 neV/c2, c’est-à-dire les masses couvertes. par DMRadio-50L mais avec une sensibilité nettement plus élevée (la section rouge sur la figure 1).
Ces expériences nous permettront de rechercher des axions dans des endroits que nous n’avons jamais explorés auparavant, tout en nous permettant également de tester de nouveaux dispositifs quantiques. On ne sait bien sûr pas si nous trouverons l’axion et la matière noire, mais quoi qu’il en soit, nous apprendrons certainement beaucoup de choses en concevant et en faisant fonctionner nos DMRadios.