La quête quantique de la particule insaisissable Axion de la matière noire

Les chercheurs de l’Université Aalto sonderont les secrets de la matière noire à l’aide d’un détecteur quantique d’une sensibilité sans précédent.

Dans les vastes ténèbres du cosmos se cache une matière invisible. Sa présence est visible dans le flux et le reflux ondulatoire des galaxies, mais elle n’a jamais été directement observée. Quels secrets se cachent sous la surface et se préparent dans les profondeurs ?

Les physiciens ont longtemps théorisé sur la composition de la matière noire, qui serait cinq fois plus abondante que la matière ordinaire. Parmi les hypothèses concurrentes, une particule s’est révélée prometteuse : l’axion.

La quête des Axions du Consortium DarkQuantum

Des scientifiques de l’Université Aalto se lancent dans un projet de six ans visant à trouver des preuves de l’existence des axions. Ils le feront dans le cadre d’un consortium nouvellement créé appelé DarkQuantum, aux côtés de chercheurs de l’Université de Saragosse, qui coordonnent le projet, ainsi que de chercheurs du Centre national français de la recherche scientifique, de l’Institut technologique de Karlsruhe et d’autres institutions partenaires. .

Ce nouveau consortium sera le premier à utiliser les dernières technologies quantiques pour construire des capteurs dotés d’une sensibilité de balayage sans précédent. DarkQuantum a reçu 12,9 millions d’euros le 26 octobre par le Conseil européen de la recherche, dont environ 2 millions d’euros sont réservés au maître de conférences et professeur de l’Université Aalto, Sorin Paraoanu, et à son groupe de recherche sur les qubits et circuits supraconducteurs QED (KVANTTI).

Les chercheurs utiliseront les technologies quantiques pour développer l’un des détecteurs les plus sensibles jamais construits au monde. Crédit : Mikko Raskinen/Université Aalto

« Nous regardons dans un gouffre profond et sombre. S’il existe, l’axion va au-delà du modèle standard des particules élémentaires », explique Paraoanu. « Une telle observation aurait une importance comparable à celle de la découverte du boson de Higgs au début des années 2010. Mais au moins, avec le boson de Higgs, ils savaient par où commencer !

“La nature de la matière noire est l’un des plus grands mystères de la science moderne”, ajoute le professeur Igor Garcia Irastorza de l’Université de Saragosse, qui dirige également le consortium DarkQuantum. “Si la matière noire est constituée d’axions, nous avons de réelles chances de la détecter avec ce projet.”

Bien que des tentatives aient été faites pour observer les axions dans le passé, cette dernière tentative capitalisera sur les phénomènes quantiques pour permettre aux chercheurs de mieux filtrer le bruit et de répéter leurs expériences avec une plus grande fidélité. C’est là qu’interviennent Paraoanu et son équipe.

Déplacer des montagnes

Zoomez sur notre petit coin du

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Voie Lactée galaxie, au plus profond des montagnes qui s’étendent à la frontière entre l’Espagne et la France. Il s’agit du site du laboratoire souterrain de Canfranc, qui abritera un capteur haute fréquence que les chercheurs de DarkQuantum envisagent de construire. L’autre capteur basse fréquence sera situé au synchrotron électronique allemand (

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Paraoanu et son groupe KVANTTI sont principalement responsables de la construction et du réglage du capteur haute fréquence, ainsi que de l’écriture des algorithmes et des logiciels pour l’utiliser. Ce capteur, appelé haloscope, va sonder les profondeurs du halo galactique à la recherche d’axions.

Placer le capteur en profondeur sous terre aide à éliminer le rayonnement de fond cosmique et pourrait offrir une opportunité unique d’étudier simultanément certaines techniques de réduction du bruit pour

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« Notre capteur haute fréquence sera 10 à 100 fois plus sensible que les itérations précédentes, et il sera capable de scanner à l’échelle de quelques microélectrons-volts. Il utilisera des qubits supraconducteurs – les mêmes qubits utilisés dans les ordinateurs quantiques – mais ils joueront un rôle différent en tant que détecteurs dans cet haloscope », explique Paraoanu.

Les tentatives précédentes pour détecter les axions utilisaient des amplificateurs linéaires, qui tendent à introduire du bruit et à absorber efficacement les particules dans le système. Le capteur de Paraoanu s’appuiera sur des mesures quantiques de non-démolition, ce qui permettra de réaliser des expériences répétées avec les mêmes particules.

« La théorie suggère que, dans un environnement ultra-froid, nous pouvons introduire un champ magnétique qui provoquera la désintégration des axions présents en photons. Si nous détectons des photons dans la cavité, nous pouvons alors conclure que les axions sont présents dans le système et qu’ils existent effectivement », explique Paraoanu.

Une telle observation aurait une importance comparable à celle de la découverte du boson de Higgs au début des années 2010. »

— Sorin Paraoanu, maître de conférences et professeur à l’Université Aalto

Subvention Synergie

La subvention Synergie du Conseil européen de la recherche est prestigieuse, et Paraoanu et son équipe ne sont que les deuxièmes dans l’histoire de l’Université Aalto à recevoir cette subvention – la première a été décernée au professeur Risto Ilmoniemi pour son travail continu Projet ConnectToBrain.

Le projet, d’une durée de six ans, sera divisé en deux parties : une phase de mise à l’échelle de quatre ans, qui comprend la construction, le réglage et le transport des haloscopes ; et une phase expérimentale de deux ans, au cours de laquelle l’équipe collectera des données. Paraoanu espère avoir des ouvertures pour plusieurs postes de chercheurs dans le projet dans les années à venir.

Parmi les autres institutions partenaires nommées dans la subvention Synergy figurent la Société Max Planck pour l’avancement des sciences, l’Université polytechnique de Carthagène et le Conseil national espagnol de la recherche.

Paraoanu et le groupe de recherche KVANTTI réaliseront leurs travaux à l’aide des équipements OtaNano. OtaNano est l’infrastructure nationale de recherche finlandaise pour les technologies micro, nano et quantiques. Plus précisément, Paraoanu effectuera ses travaux au Laboratoire de basse température, fondé par le physicien finlandais Olli V. Lounasmaa. Paraoanu est également impliqué dans InstitutQ et le nouveau Phare quantique finlandais (FQF).