La matière noire, dont on estime qu’elle représente la majeure partie de la masse de l’univers, reste très insaisissable. Les physiciens recherchent diverses particules qui pourraient être des candidates prometteuses pour la matière noire, telles que les photons noirs et les axions, en se concentrant sur les signatures associées à leur présence ou à leurs interactions avec d’autres particules dans des conditions spécifiques.
Des chercheurs de l’Université de Genève, du CERN et de l’Université Sapienza de Rome ont récemment exploré la possibilité de rechercher des particules de matière noire en se concentrant sur leur conversion prévue en ondes radio basse fréquence dans l’ionosphère terrestre. Leur papier, publié dans Lettres d’examen physiquepourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour les futures recherches sur la matière noire, en mettant en évidence un espace de paramètres jusqu’à présent inexploré.
« De nombreux chercheurs ont envisagé la conversion résonante de candidats à la matière noire ultralégère (ULDM), tels que les axions ou les photons sombres, en photons modèles standard dans des environnements astrophysiques », a déclaré Carl Beadle, premier auteur de l’article, à Phys.org.
« Cela a par exemple été exploré dans les étoiles à neutrons, la couronne solaire et même sur des planètes de notre système solaire comme Jupiter. Nous avons demandé si un tel signal pouvait nous être fourni par notre plasma local et naturel : l’ionosphère. Étant donné que c’est extrêmement bien suivi et compris, cela nous a semblé être un très bon endroit où regarder. »
Dans les modèles théoriquement motivés, une grande partie ou la totalité de la matière noire peut être constituée d’axions ou de photons sombres. L’idée proposée par Beadle et ses collègues est que ces particules peuvent se convertir en photons réguliers au sein de l’ionosphère, ce qui les rendrait détectables à l’aide d’antennes abordables sur Terre.
« La conversion résonante se produit si la masse des particules de matière noire coïncide en valeur avec une fréquence caractérisant le plasma », a expliqué Beadle. « On peut considérer cette « fréquence du plasma » comme étant comme la densité numérique des électrons libres dans le plasma, et comme cette densité change avec la hauteur dans le plasma ionosphérique, cette coïncidence peut se produire si la masse de la matière noire tombe quelque part. dans la bonne fourchette. »
Les chercheurs ont calculé le taux de conversion du signal qu’ils prédisaient, en tenant compte de divers effets susceptibles de l’affaiblir. Ils ont ensuite comparé les photons présentant ce signal au bruit (c’est-à-dire des photons non liés) qui pourraient atteindre une antenne potentielle, afin d’estimer le potentiel de leur approche pour détecter les axions de la matière noire ou les photons sombres dans une expérience réelle.
Leurs résultats suggèrent qu’une antenne dipôle électriquement petite pourrait détecter le signal prévu. Cette hypothèse pourrait être testée dans de futures expériences.
« Il convient de souligner que nous pensons que cette expérience serait raisonnablement bon marché à produire et à exécuter, et qu’elle permettrait de sonder expérimentalement une grande partie de l’espace théorique », a déclaré Beadle. « Il y a également moins d’incertitude astrophysique associée à cette proposition parce que l’ionosphère est très bien connue et en raison de son emplacement. »
L’étude récente de cette équipe de chercheurs introduit une nouvelle voie pour explorer des régions inexplorées de l’espace des paramètres de la matière noire. Beadle et ses collègues ont déjà commencé à travailler avec d’autres physiciens expérimentaux pour planifier les futures recherches sur la matière noire en fonction de leurs prédictions.
« Nous avons été en contact avec divers groupes expérimentaux et il existe des données préexistantes à trier pour rechercher notre signal », a ajouté Beadle. « D’autres chercheurs sont intéressés par la construction de notre proposition. Nous sommes maintenant très enthousiastes à l’idée de nous impliquer avec des expérimentateurs pour effectuer des tests, tout en travaillant également à l’amélioration des calculs du signal. »
Plus d’informations :
Carl Beadle et al, Conversion résonante de la matière noire ondulatoire dans l’ionosphère, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.251001.
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