Transformer la matière noire invisible en lumière visible

Les explorations de la matière noire progressent en utilisant de nouvelles techniques expérimentales conçues pour détecter des axes et en tirant parti de technologies avancées et d’une collaboration interdisciplinaire pour découvrir les secrets de cette composante insaisissable de l’univers.

Un fantôme hante notre monde. Cela est connu en astronomie et en cosmologie depuis des décennies. Remarques je le suggère environ 85% Toute matière dans l'univers est mystérieuse et invisible. Ces deux qualités se retrouvent dans son nom : matière noire.

Plusieurs expériences Leur objectif est de découvrir leurs ingrédients, mais malgré des décennies de recherche, les scientifiques n’ont pas réussi. maintenant Notre nouvelle expérienceen construction à Université de Yale Aux États-Unis, elle propose une nouvelle tactique.

La matière noire entoure l’univers depuis la nuit des temps. Rassemblez les étoiles et les galaxies. Invisible et subtile, elle ne semble pas interagir avec la lumière ou tout autre type de matière. En fait, cela devrait être quelque chose de complètement nouveau.

Le modèle standard de la physique des particules est incomplet, et c'est un problème. Nous devons chercher le nouveau Particules fondamentales. Étonnamment, les mêmes défauts du modèle standard donnent de précieuses indications sur l’endroit où ils pourraient se cacher.

Le problème avec le neutron

Prenons le neutron, par exemple. Il forme le noyau atomique avec le proton. Bien que généralement neutre, la théorie affirme qu’il est constitué de trois particules chargées appelées quarks. Pour cette raison, nous nous attendons à ce que certaines parties du neutron soient chargées positivement et d’autres négativement, ce qui signifie qu’il possède ce que les physiciens appellent un moment dipolaire électrique.

Jusqu'ici, De nombreuses tentatives Le mesurer a conduit à la même conclusion : il est trop petit pour être découvert. Un autre fantôme. Nous ne parlons pas de lacunes dans les instruments, mais plutôt d’un facteur qui doit être inférieur à une partie sur dix milliards. Il est si petit que les gens se demandent s’il pourrait être complètement nul.

Mais en physique, le zéro mathématique est toujours une affirmation forte. À la fin des années 1970, les physiciens des particules Roberto Picci et Helen Coyne (et plus tard Frank Wilczek et Steven Weinberg) ont tenté de découvrir Comprendre la théorie et les preuves.

Ils ont suggéré que le paramètre n’est probablement pas nul. Il s’agit plutôt d’une quantité dynamique qui perd lentement sa charge, puis évolue vers zéro. le Big Bang. Les calculs théoriques montrent que si un tel événement se produisait, il aurait dû laisser derrière lui un grand nombre de particules lumineuses illusoires.

Ils sont appelés « axions » d'après une marque de détergent car ils peuvent « résoudre » le problème des neutrons. Et encore plus. Si les axions ont été créés au début de l’univers, ils existent depuis lors. Plus important encore, ses propriétés définissent tous les éléments attendus de la matière noire. Pour ces raisons, les hubs sont devenus l'un des Particules candidates préférées Pour la matière noire.

Les axions n’interagiront que faiblement avec les autres particules. Cependant, cela signifie qu’ils interagiront encore un peu. Les axes invisibles peuvent se transformer en particules ordinaires, dont – ironiquement – ​​des photons, l’essence de la lumière. Cela peut se produire dans certaines conditions, comme la présence d'un champ magnétique. C’est une aubaine pour les physiciens expérimentateurs.

Conception expérimentale

De nombreuses expériences Ils tentent d'évoquer le fantôme d'Axion dans un environnement de laboratoire contrôlé. Certaines d'entre elles visent par exemple à convertir la lumière en axe, puis à convertir l'axe en lumière de l'autre côté du mur.

À l’heure actuelle, l’approche la plus sensible cible le halo de matière noire qui imprègne la galaxie (et donc la Terre) à l’aide d’un dispositif appelé couronne. C'est une cavité conductrice immergée dans un fort champ magnétique. Le premier capte la matière noire qui nous entoure (en supposant qu'il s'agisse d'axones), tandis que le second l'incite à se transformer en lumière. Le résultat est un signal électromagnétique qui apparaît à l’intérieur de la cavité, oscillant à une fréquence caractéristique dépendant de la masse de l’axion.

Le système fonctionne comme un récepteur radio. Il doit être correctement ajusté pour intercepter la fréquence d’intérêt. En pratique, les dimensions de la cavité sont modifiées pour s'adapter à différentes fréquences caractéristiques. Si les fréquences des axions et des cavités ne correspondent pas, c’est comme si vous aviez réglé la radio sur le mauvais canal.

Le puissant aimant est transporté jusqu'au laboratoire de l'Université de Yale. Crédit : Université de Yale

Malheureusement, la chaîne que nous recherchons ne peut pas être prédite à l'avance. Nous n’avons d’autre choix que de scanner toutes les fréquences possibles. C'est comme sélectionner une station de radio dans une mer de bruit blanc – une aiguille dans une botte de foin – avec une vieille radio qui doit être agrandie ou réduite à chaque fois que nous tournons le bouton de fréquence.

Toutefois, ce ne sont pas les seuls défis. La cosmologie fait référence à Des dizaines de gigahertz Comme dernière frontière prometteuse de la recherche d’axions. Étant donné que les fréquences plus élevées nécessitent des cavités plus petites, l’exploration de cette région nécessiterait des cavités trop petites pour capturer une quantité significative de signal.

De nouvelles expériences tentent de trouver des voies alternatives. notre Expérience de plasmascope longitudinal (Alpha). Il utilise un nouveau concept de cavitation basé sur métamatériaux.

Les métamatériaux sont des matériaux composites dotés de propriétés universelles qui diffèrent de celles de leurs composants : ils sont plus que la somme de leurs parties. Une cavité remplie de tiges conductrices obtient une fréquence distincte, comme si elle était un million de fois plus petite, alors que sa taille change à peine. C'est exactement ce dont nous avons besoin. De plus, les barres offrent un système de réglage intégré facile à régler.

Nous construisons actuellement la configuration, qui sera prête à recevoir des données dans quelques années. La technologie est prometteuse. Son développement est le résultat d’une collaboration entre physiciens du solide, ingénieurs électriciens, physiciens des particules et même mathématiciens.

Bien que tirés par les cheveux, les axions alimentent un progrès qu’aucun spectre ne pourra jamais éliminer.

Écrit par Andrea Gallo Russo, chercheur postdoctoral en physique, Université de Stockholm.

Adapté d'un article initialement publié dans Conversation.