Dans de nouvelles études, les chercheurs explorent de nouvelles façons de chasser la matière noire

Pendant des décennies, les astronomes et les physiciens ont tenté de résoudre l’un des mystères les plus profonds du cosmos : environ 85 % de sa masse est manquante. De nombreuses observations astronomiques indiquent que la masse visible dans l’univers est loin d’être suffisante pour maintenir les galaxies ensemble et expliquer la façon dont la matière s’agglutine. Une sorte de particule subatomique invisible et inconnue, appelée matière noire, doit fournir la colle gravitationnelle supplémentaire.

Dans les laboratoires souterrains et dans les accélérateurs de particules, les scientifiques recherchent cette matière noire sans succès depuis plus de 30 ans. Les chercheurs du NIST explorent maintenant de nouvelles façons de rechercher les particules invisibles. Dans une étude, un prototype pour une expérience beaucoup plus vaste, les chercheurs ont utilisé des détecteurs supraconducteurs de pointe pour chasser la matière noire.

L’étude a déjà placé de nouvelles limites sur la masse possible d’un type de matière noire hypothétique. Une autre équipe du NIST a proposé que les électrons piégés, couramment utilisés pour mesurer les propriétés des particules ordinaires, pourraient également servir de détecteurs très sensibles d’hypothétiques particules de matière noire si elles portent une charge.

Dans l’étude sur les détecteurs supraconducteurs, les scientifiques du NIST Jeff Chiles et Sae Woo Nam et leurs collaborateurs ont utilisé des nanofils supraconducteurs de siliciure de tungstène seulement un millième de la largeur d’un cheveu humain comme détecteurs de matière noire.

« Supraconducteur » fait référence à une propriété que certains matériaux, tels que le siliciure de tungstène, ont à des températures ultra basses : une résistance nulle au passage du courant électrique. Les systèmes de tels fils, officiellement connus sous le nom de détecteurs à photon unique à nanofils supraconducteurs (SNSPD), sont extrêmement sensibles aux très petites quantités d’énergie transmises par les photons (particules de lumière) et peut-être les particules de matière noire lorsqu’ils entrent en collision avec les détecteurs.

Les chercheurs font fonctionner les SNSPD à une température juste en dessous du seuil requis pour que les nanofils deviennent supraconducteurs. De cette façon, même une infime quantité d’énergie déposée par une particule entrante produira suffisamment de chaleur pour développer une résistance électrique dans le fil.

Le flux de courant à travers le nanofil étant maintenant obstrué, le courant se déplace le long d’un deuxième chemin connecté à un amplificateur électrique. Le courant génère une tension brève mais mesurable – un signal indiquant qu’une partie du nanofil s’est réchauffée en interagissant avec un photon ou, peut-être, une particule de matière noire.

L’expérience SNSPD consistait en un petit réseau carré de nanofils, chacun de 140 nanomètres (nm ou milliardièmes de mètre) de diamètre et espacés de 200 nm, confinés dans une boîte étanche à la lumière. Les chercheurs ont ajouté une pile de deux types de matériaux isolants, conçus pour rendre plus probable que le système puisse rechercher un type de particule hypothétique de matière noire connue sous le nom de photon noir.

Selon les prédictions théoriques, un photon noir entrant en collision avec la pile serait susceptible de s’annihiler et de générer un photon infrarouge ordinaire à sa place. Une lentille focaliserait alors le photon sur le circuit SNSPD, où il pourrait interagir avec les nanofils et être détecté comme un signal de tension.

La petite expérience de 180 heures n’a trouvé aucune preuve de photons noirs dans la plage de faible masse de 0,7 à 0,8 électron volts/c2 (eV/c2), moins d’un demi-millionième de la masse de l’électron, le plus léger stable connu. particule. (Parce que les masses des particules subatomiques sont beaucoup trop petites pour être exprimées en termes de fraction de kilogramme, les physiciens utilisent à la place la définition de la masse dans E=mc2 d’Einstein.)

Bien que l’expérience doive être réalisée à plus grande échelle avec beaucoup plus de détecteurs pour fournir un ensemble de données élargi, il s’agit toujours de la recherche de photons noirs la plus sensible réalisée à ce jour dans cette gamme de masse, a déclaré Nam. Les chercheurs, dont des collaborateurs du Massachusetts Institute of Technology, de l’Université de Stanford, de l’Université de Washington, de l’Université de New York et du Flatiron Institute, ont rapporté leurs résultats dans un article de Lettres d’examen physique.

Dans un deuxième rapport, certains des mêmes chercheurs du NIST et leurs collaborateurs ont analysé les données de la première étude d’une manière différente. Les scientifiques ont ignoré les effets potentiels de la pile de matériaux isolants et se sont concentrés uniquement sur la capacité de n’importe quel type de particules de matière noire à interagir avec des électrons individuels dans le détecteur à nanofil lui-même, soit en diffusant un électron, soit en étant absorbé par celui-ci.

Bien que petite, cette étude a placé les limites les plus fortes de toute expérience à ce jour – à l’exclusion des recherches astrophysiques et des études du soleil – sur la force des interactions entre les électrons et la matière noire dans la gamme de masse inférieure au million d’eV. Cela rend probable qu’une version à grande échelle de la configuration du SNSPD pourrait apporter une contribution significative à la recherche de matière noire, a déclaré Chiles.

Lui et ses collègues de l’Université hébraïque de Jérusalem, de l’Université de Californie à Santa Cruz, de l’Institut de physique des particules de Santa Cruz de l’Université de Californie ; et le MIT ont rapporté cette analyse dans un article de l’édition du 8 décembre de Examen physique D.

Dans une troisième étude, un physicien du NIST et ses collègues ont proposé que des électrons uniques, électromagnétiquement confinés à une petite région de l’espace, pourraient être des détecteurs sensibles de particules de matière noire chargées. Pendant plus de trois décennies, les scientifiques ont utilisé une population beaucoup plus lourde d’ions béryllium chargés positivement pour sonder les propriétés électriques et magnétiques des particules chargées ordinaires (non sombres).

Les électrons, cependant, feraient des détecteurs idéaux pour détecter les particules de matière noire si ces particules ont la moindre charge électrique. En effet, les électrons ont la masse la plus faible de toutes les particules chargées connues et sont donc facilement poussés ou tirés par la moindre perturbation électrique, telle qu’une particule avec une petite charge électrique passant à proximité.

Seuls quelques électrons piégés seraient nécessaires pour détecter des particules de matière noire chargées avec seulement un centième de la charge d’un électron, a déclaré le physicien du NIST Jake Taylor, membre du Joint Quantum Institute et du Joint Center for Quantum Information and Computer Science, partenariats de recherche entre le NIST et l’Université du Maryland.

Les électrons piégés électromagnétiquement seraient refroidis à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu afin de limiter la gigue inhérente à la particule. Taylor, ainsi que Daniel Carney du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie, Hartmut Haffner de l’Université de Californie à Berkeley et David C. Moore de l’Université de Yale, ont décrit leur projet d’expérience dans un Lettres d’examen physique.

En configurant le piège de sorte que la force du confinement de l’électron soit différente le long de chaque dimension – longueur, largeur et hauteur – le piège pourrait également fournir des informations sur la direction d’où la particule de matière noire est arrivée.

Cependant, les scientifiques doivent relever un défi technologique avant de pouvoir utiliser le piégeage d’électrons pour rechercher de la matière noire. Les photons sont utilisés pour refroidir, manipuler et détecter le mouvement des ions et des électrons piégés. Pour les ions béryllium, ces photons, générés par un laser, se situent dans la gamme de la lumière visible.

La technologie qui permet aux photons de la lumière visible de manipuler les ions béryllium piégés est bien établie. En revanche, les photons nécessaires pour détecter le mouvement d’électrons uniques ont des énergies micro-ondes, et la technologie de détection nécessaire n’a pas encore été perfectionnée. Cependant, si l’intérêt pour le projet est suffisamment fort, les scientifiques pourraient développer un piège à électrons capable de détecter la matière noire en moins de cinq ans, a estimé Carney.

Dans une autre étude, un chercheur du NIST et un groupe international de collègues regardent au-delà de la Terre pour chasser la matière noire. Une équipe qui comprend Marianna Safronova de l’Université du Delaware et du Joint Quantum Institute a proposé qu’une nouvelle génération d’horloges atomiques, installées sur un vaisseau spatial qui volerait plus près du soleil que l’orbite de Mercure, pourrait rechercher des signes de matière noire ultra-légère.

Ce type hypothétique de matière noire, liée à un halo entourant le soleil, provoquerait de minuscules variations dans les constantes fondamentales de la nature, notamment la masse de l’électron et la constante de structure fine.

Des changements dans ces constantes modifieraient la fréquence à laquelle les horloges atomiques vibrent – ​​la vitesse à laquelle elles « cochent ». Parmi la grande variété d’horloges atomiques, les chercheurs en choisiraient soigneusement deux qui ont des sensibilités différentes aux changements des constantes fondamentales entraînées par la matière noire ultra-légère. En mesurant le rapport des deux fréquences variables, les scientifiques pourraient révéler la présence de matière noire, ont calculé les chercheurs.

Ils décrivent leur analyse dans un article mis en ligne dans Astronomie naturelle.

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation du NIST. Lire l’histoire originale ici.