L’un des plus grands mystères de la science pourrait être sur le point d’être résolu. Environ 80 % de la matière de l’univers est sombre, ce qui signifie qu’elle est invisible. En fait, la matière noire nous traverse en permanence, probablement à un rythme de plusieurs milliers de milliards de particules par seconde.
Nous savons qu’il existe parce que nous pouvons voir les effets de sa gravité, mais les expériences menées jusqu’à présent n’ont pas réussi à le détecter.
Tirant parti des technologies quantiques les plus avancées, des scientifiques de l’Université de Lancaster, de l’Université d’Oxford et de Royal Holloway, Université de Londres, construisent les détecteurs de matière noire les plus sensibles à ce jour.
Leur exposition publique intitulée « Une vision quantique de l’univers invisible » est présentée lors de la conférence phare de la Royal Society de cette année. Exposition scientifique d’été du 2 au 7 juillet 2024. Des recherches connexes sont également publié dans le Journal de physique des basses températures.
Les chercheurs comprennent le Dr Michael Thompson, le professeur Edward Laird, le Dr Dmitry Zmeev et le Dr Samuli Autti de Lancaster, le professeur Jocelyn Monroe d’Oxford et le professeur Andrew Casey de RHUL.
Le Dr Autti, membre de l’EPSRC, a déclaré : « Nous utilisons des technologies quantiques à des températures ultra-basses pour construire les détecteurs les plus sensibles à ce jour. L’objectif est d’observer cette matière mystérieuse directement en laboratoire et de résoudre l’une des plus grandes énigmes de la science. »
Il existe des preuves observationnelles indirectes de la densité typique de matière noire dans la galaxie, mais la masse des particules constitutives et leurs interactions possibles avec les atomes ordinaires sont inconnues.
La théorie de la physique des particules suggère deux candidats possibles à la matière noire : de nouvelles particules avec des interactions si faibles que nous ne les avons pas encore observées, et des particules très légères de type onde appelées axions. L’équipe met en place deux expériences, une pour rechercher chacune d’elles.
Parmi les deux candidats, de nouvelles particules aux interactions ultra-faibles pourraient être détectées par leurs collisions avec la matière ordinaire. Cependant, la capacité à identifier ces collisions dans une expérience dépend de la masse de la matière noire recherchée. La plupart des recherches menées jusqu’à présent permettraient de détecter des particules de matière noire pesant entre cinq et mille fois plus qu’un atome d’hydrogène, mais il est possible que des candidats de matière noire beaucoup plus légers aient été manqués.
L’équipe de recherche QUEST-DMC (Quantum Enhanced Superfluid Technologies for Dark Matter and Cosmology) a pour objectif d’atteindre une sensibilité de pointe aux collisions avec des candidats à la matière noire dont la masse est comprise entre 0,01 et quelques atomes d’hydrogène. Pour y parvenir, le détecteur est constitué d’hélium-3 superfluide, refroidi dans un état quantique macroscopique et instrumenté avec des amplificateurs quantiques supraconducteurs. La combinaison de ces deux technologies quantiques crée la sensibilité nécessaire pour mesurer des signatures extrêmement faibles de collisions de matière noire.
En revanche, si la matière noire est constituée d’axions, ceux-ci seront extrêmement légers – plus d’un milliard de fois plus légers qu’un atome d’hydrogène – mais proportionnellement plus abondants. Les scientifiques ne seraient pas en mesure de détecter les collisions avec les axions, mais ils pourraient rechercher une autre signature – un signal électrique qui se produit lorsque les axions se désintègrent dans un champ magnétique.
Cet effet ne peut être mesuré qu’à l’aide d’un amplificateur extrêmement sensible, fonctionnant avec la plus grande précision permise par la mécanique quantique. L’équipe Quantum Sensors for the Hidden Sector (QSHS) développe donc une nouvelle classe d’amplificateur quantique parfaitement adaptée à la recherche d’un signal axionique.
Le stand de l’exposition de cette année permettra aux visiteurs d’observer l’invisible grâce à des expositions interactives et imaginatives pour tous les âges.
Pour montrer comment nous pouvons déduire la matière noire à partir de l’observation des galaxies, nous verrons un gyroscope dans une boîte qui se déplace de manière surprenante en raison du moment angulaire invisible. Nous verrons également des billes de verre transparentes dans un liquide, montrant comment des masses invisibles peuvent être observées grâce à des expériences astucieuses.
Un réfrigérateur à dilution éclairé démontrera comment l’équipe atteint des températures ultra basses, et un modèle de détecteur de collision de particules de matière noire montrera comment notre univers se comporterait si la matière noire se comportait comme la matière normale.
Les visiteurs peuvent ensuite rechercher de la matière noire avec un détecteur d’axions modèle en scannant la fréquence d’un récepteur radio, et ils peuvent également créer leur propre amplificateur paramétrique à l’aide d’un pendule.
Carlos Frenk, cosmologiste et membre de la Royal Society et président du Comité d’engagement du public, a déclaré : « La science est essentielle pour nous aider à comprendre le monde dans lequel nous vivons, passé, présent et futur. J’invite les visiteurs de tous âges à venir avec un esprit ouvert, de la curiosité et de l’enthousiasme et à célébrer les incroyables réalisations scientifiques qui profitent à tous. »
Plus d’information:
S. Autti et al, QUEST-DMC : Modélisation de fond et dépôt de chaleur résultant pour un bolomètre d’hélium-3 superfluide, Journal de physique des basses températures (2024). DOI: 10.1007/s10909-024-03142-w