La matière noire reste “sombre” – Les scientifiques utilisent des horloges atomiques pour apporter une nouvelle lumière

Les comparaisons entre les horloges optiques au PTB renforcent la quête pour détecter les interactions potentielles entre la matière noire ultra-légère et les photons.

Les observations en astronomie suggèrent la présence de «matière noire», représentant plus de 80% de toute la matière. Selon notre compréhension actuelle, il interagit principalement avec la matière visible par le biais des forces gravitationnelles. Notamment, il n’y a aucune preuve établie qu’il interagit avec les photons, les particules fondamentales qui forment également la lumière. Ce manque d’interaction est la raison pour laquelle on l’appelle “sombre”. La composition de la matière noire et toute interaction potentielle inconnue avec la matière ordinaire continuent d’être des énigmes intrigantes.

Une approche théorique particulièrement prometteuse implique que la matière noire pourrait être constituée de particules extrêmement légères et se comportant davantage comme des ondes que comme des particules individuelles : la matière noire dite « ultra-légère ». Dans ce cas, jusqu’alors inconnu, de faibles interactions de la matière noire avec les photons conduiraient à de minuscules oscillations de la constante de structure fine.

La constante de structure fine est la constante naturelle qui décrit la force de l’interaction électromagnétique. Il détermine les échelles d’énergie atomique et influence ainsi les fréquences de transition qui servent de référence dans les horloges atomiques. Étant donné que différentes transitions sont sensibles à d’éventuels changements de la constante à des degrés divers, des comparaisons d’horloges atomiques peuvent être utilisées pour rechercher de la matière noire ultra-légère. À cette fin, les chercheurs du PTB ont maintenant utilisé une horloge atomique qui est particulièrement sensible aux changements possibles de la constante de structure fine dans une telle recherche.

À cette fin, cette horloge atomique sensible a été comparée à deux autres horloges atomiques avec des sensibilités inférieures lors de mesures de plusieurs mois. Les données de mesure résultantes ont été étudiées pour les oscillations, la signature de la matière noire ultra-légère. Comme aucune oscillation significative n’a été trouvée, la matière noire est restée « sombre », même sous un examen plus approfondi.

La détection de la mystérieuse matière noire n’a donc pas été réalisée. L’absence de signal a permis de déterminer de nouvelles limites supérieures expérimentales sur la force d’un éventuel couplage de la matière ultralégère aux photons. Les limites précédentes ont été améliorées de plus d’un ordre de grandeur sur une large plage.

Dans le même temps, les chercheurs ont également étudié si la constante de structure fine pouvait changer au fil du temps, par exemple en augmentant ou en diminuant très lentement. Une telle variation n’a pas été détectée dans les données. Ici, les limites existantes ont également été resserrées, indiquant que la constante reste constante même sur de longues périodes.

Contrairement aux comparaisons d’horloges précédentes, où chaque horloge atomique nécessitait son propre système expérimental, deux des trois horloges atomiques ont été réalisées dans une seule configuration expérimentale dans ce travail. Pour cela, deux fréquences de transition différentes d’un même ion piégé ont été utilisées : L’ion a été interrogé alternativement sur les deux transitions optiques. Il s’agit d’une étape importante pour rendre les comparaisons de fréquences optiques encore plus compactes et robustes – par exemple, pour une future recherche de matière noire dans l’espace.

Référence : “Limites améliorées sur le couplage de la matière noire bosonique ultralégère aux photons à partir de comparaisons d’horloges atomiques optiques” par M. Filzinger, S. Dörscher, R. Lange, J. Klose, M. Steinel, E. Benkler, E. Peik, C. Lisdat et N. Huntemann, 22 juin 2023, DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.253001