Une nouvelle méthode pourrait aider les scientifiques à faire la lumière sur la substance la plus mystérieuse de l’univers en limitant la recherche d’un candidat particulier à la matière noire – les “photons noirs” cachés.
La matière noire représente environ 85% du contenu en matière de l’univers, mais comme elle n’interagit pas avec la lumière ou le fait très faiblement, elle reste effectivement invisible. Le fait que la matière noire ne semble pas interagir électromagnétiquement signifie que les scientifiques savent qu’elle ne peut pas être constituée des atomes qui composent la matière “normale” qui compose les étoiles, les planètes et notre corps.
Le mystère de la matière noire est un problème tellement pressant pour les scientifiques car cela signifie que la matière que nous voyons ne représente que 15 % de la substance, sans compter l’énergie, dans le cosmos. Cela a conduit à la recherche de candidats potentiels à la matière noire, tels que les photons dits “cachés” ou “noirs”.
Ces photons noirs seraient différents des photons ordinaires, qui sont des particules sans masse qui composent la lumière, car les photons noirs sont censés posséder une masse. La masse des photons noirs serait cependant infime, à environ vingt ordres de grandeur de moins que la masse d’un électron. C’est cette nature ultra-légère qui fait des photons noirs un bon candidat pour la matière noire et les rendrait également incroyablement difficiles à détecter.
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Les photons noirs ont été initialement suggérés comme candidats à la matière noire car, théoriquement, ils interagiraient faiblement avec les photons ordinaires, ce qui signifie qu’ils auraient pu jouer un rôle dans le réchauffement de l’univers primitif. Cette action expliquerait pourquoi la toile cosmique, une structure à grande échelle dans l’univers reliant les galaxies, a été plus chaud que prévu lorsqu’il est observé par le télescope spatial Hubble.
Aujourd’hui, des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) ont mis au point une nouvelle méthode de détection des photons noirs. Et bien que cette nouvelle stratégie n’ait encore révélé aucune des particules hypothétiques, elle a imposé des contraintes sur leurs caractéristiques, ce qui facilitera les recherches futures.
“La sensibilité d’un photon caché expérience sur la matière noire dépend de la force du signal de matière noire par rapport au plus petit signal que vous pouvez détecter », a déclaré Nikita Klimovich, membre de l’équipe, chercheur au département de physique de l’Université d’Oxford. Phys.org.
“Pour les recherches de photons cachés, l’amplitude du signal de matière noire évolue avec la surface du plat métallique utilisé, tandis que le niveau de signal détectable minimal est largement déterminé par le niveau de bruit [the interference] des amplificateurs utilisés pour lire l’antenne », a ajouté Klimovich.
Une chasse à la matière noire ultracool
L’inspiration pour la recherche de photons noirs de l’équipe vient d’une précédente tentative de chasse à la matière noire cachée appelée l’expérience SHUKET, qui utilise un télescope électromagnétique.
“Les recherches précédentes qui ont inspiré ce travail, comme l’expérience SHUKET, visaient généralement à maximiser la force du signal en ayant une très grande parabole tout en utilisant les meilleurs amplificateurs à faible bruit disponibles dans le commerce auxquels ils avaient accès”, a expliqué Klimovich.
L’équipe a cependant adopté une approche différente dans la nouvelle étude, en utilisant des amplificateurs à limitation quantique plutôt que des amplificateurs standard et en menant leur chasse aux photons noirs à des températures incroyablement basses. Ils ont cherché à des températures comprises entre moins 459 degrés Fahrenheit (moins 272,9 degrés Celsius) et moins 459,6682 degrés F (moins 273,149 degrés C), juste une fraction de degré plus chaude que la température la plus froide théoriquement possible, le zéro absolu.
Bien que cela ait permis aux scientifiques de réduire considérablement les niveaux de signal minimaux qu’ils pouvaient détecter par rapport à d’autres expériences utilisant une technologie standard, cela présentait un inconvénient majeur. Le petit environnement isolé sous vide du cryostat que les scientifiques utilisaient pour refroidir leur appareil limitait considérablement la taille de la coupelle métallique sphérique qu’ils pouvaient utiliser dans leur recherche.
Bien que cela signifiait un signal beaucoup plus faible que celui détecté par SHUKET et d’autres expériences de chasse à la matière noire, l’équipe espérait que cet inconvénient serait compensé par la sensibilité accrue des mesures collectées.
“Si un photon caché existait avec une masse correspondant à la gamme de fréquences à laquelle nous étions sensibles, nous devrions voir un petit excès de puissance provenant de la parabole par rapport à la référence”, a déclaré Klimovich. “Parce que nous n’avons pas vu un tel signal, nous avons pu définir une nouvelle limite supérieure sur le couplage d’une telle particule photonique cachée au champ électromagnétique en fonction du plus petit niveau de signal que nous aurions pu détecter.”
Alors que le signal des photons noirs n’était pas présent dans la mesure de l’équipe, l’approche adoptée par les scientifiques a imposé de nouvelles contraintes strictes sur les photons cachés théoriques. Alors que la recherche de candidats à la matière noire se poursuit, ces contraintes et cette nouvelle approche pourraient éventuellement jouer un rôle dans la découverte des photons noirs et, ainsi, dans la résolution du mystère de la matière noire.
“Outre les nouvelles limites fixées pour la détection, nous avons démontré une approche très accessible pour les expériences de photons cachés à l’avenir”, a conclu Klimovich.
Les recherches de l’équipe ont été publiées le mois dernier dans la revue Lettres d’examen physique.
2023-07-19 23:00:51
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