Les scientifiques ne peuvent pas observer directement la matière noire. Pour la « voir », ils recherchent des signaux indiquant qu’elle a interagi avec d’autres matières en créant un photon visible. Cependant, les signaux de la matière noire sont incroyablement faibles. Si les scientifiques parviennent à rendre un détecteur de particules plus réceptif à ces signaux, ils peuvent augmenter les chances de découverte et réduire le temps nécessaire pour y parvenir. Une façon d’y parvenir est de stimuler l’émission de photons.
Des scientifiques du Laboratoire national de l’accélérateur Fermi du Département américain de l’énergie et de l’Université de Chicago ont annoncé avoir réussi à amplifier les signaux des ondes de matière noire d’un facteur 2,78 grâce à de nouvelles techniques quantiques. Cette technologie démontre comment les avancées de l’informatique quantique peuvent être appliquées, non seulement aux applications de l’informatique quantique, mais aussi à de nouvelles découvertes en physique.
Ce résultat passionnant a été rendu possible grâce au programme Quantum Information Science Enabled Discovery du DOE et à la Fondation Heising-Simons. Ankur Agrawal, étudiant diplômé de l’Université de Chicago, a mené cette recherche pour sa thèse de doctorat supervisée par le scientifique du Fermilab Aaron Chou en collaboration avec des membres du groupe du professeur David Schuster de l’Université de Chicago. Les résultats ont été récemment publiés publié dans Lettres d’examen physique.
Pour cette expérience, les chercheurs ont d’abord préparé une cavité micro-onde dans un état quantique particulier. Ils ont ensuite utilisé des bits quantiques supraconducteurs, ou qubits, pour augmenter la sensibilité des mesures dans cette cavité afin de détecter plus facilement tout signal indiquant la présence de matière noire.
« Il existe deux façons d’accélérer une expérience : soit on recueille plus de signal, soit on réduit le bruit », explique Schuster. « Dans cette expérience, nous avons utilisé un qubit pour faire les deux, en préparant un état quantique de lumière qui stimule la création de photons, puis en utilisant le qubit pour sonder le nombre exact de photons plusieurs fois sans en détruire aucun pour éliminer le bruit excessif. »
Les chercheurs ont préparé la cavité micro-onde en utilisant des qubits supraconducteurs dans ce que l’on appelle un état de Fock. Ces états de Fock quantiques ont un nombre bien défini de photons, et plus l’état de Fock est élevé, plus il est probable que la matière noire interagisse. En préparant la cavité de cette manière, lorsque la matière noire traverse la paroi de la cavité micro-onde, l’interaction provoquera le pompage ou le retrait d’un photon supplémentaire produit par la matière noire de la cavité. La présence d’un photon de plus ou de moins indique que le photon a été stimulé par la matière noire.
« Cette expérience est une belle démonstration de l’une des premières choses que nous apprenons dans un cours de mécanique quantique sur les états quantiques, et les résultats confirment ce que j’ai appris », a déclaré Agrawal.
La deuxième partie de l’expérience a consisté à concevoir l’interaction entre le qubit et la cavité de manière à réduire le bruit. Aux fréquences micro-ondes, chaque photon possède une quantité infime d’énergie qui le rend très sensible au bruit de l’environnement. Pour éviter que les photons thermiques ne viennent écraser le signal, les chercheurs ont refroidi cette cavité avec un réfrigérateur à dilution où la température est d’un centième de kelvin, soit 100 fois plus froide que dans l’espace.
L’utilisation de qubits supraconducteurs leur a permis de concevoir l’interaction de manière à réduire le bruit à des niveaux extrêmement bas, augmentant ainsi la sensibilité.
« Pour cette technique, nous avons conçu l’interaction qubit-photon de manière à ce que le photon ne soit pas détruit au cours du processus de mesure », explique Akash Dixit, un scientifique qui faisait partie de l’équipe de recherche du Fermilab. « Cela nous permet de mesurer le même photon plusieurs fois, ce qui réduit l’influence du bruit et augmente notre sensibilité à ces événements rares. »
La technique générale est la même que celle utilisée pour pousser un enfant sur une balançoire. Si l’enfant ne se balance pas, vous devez le pousser beaucoup plus fort pour le faire bouger ; mais si la balançoire est déjà en mouvement, vous n’avez pas besoin de pousser aussi fort.
« Nous prenons le champ électromagnétique de notre cavité micro-onde ou détecteur – l’oscillation – et nous le faisons osciller pour qu’il puisse plus facilement encaisser les poussées de la matière noire qui passe à proximité », explique Chou. « Ce processus d’émission stimulée est exactement le même que celui des lasers. »
Les expériences précédentes commençaient avec un champ nul, ou champ fondamental, à l’intérieur de la cavité, l’équivalent de la balançoire immobile.
« Les scientifiques peuvent utiliser cette technique pour augmenter la sensibilité afin de faire avancer leur recherche de matière noire, économisant ainsi du temps et des ressources et pour explorer d’autres mystères de la science fondamentale », a déclaré Agrawal.
Plus d’information:
Ankur Agrawal et al., Émission stimulée de photons de signal à partir d’ondes de matière noire, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.140801