Rechercher la matière noire autrement – ​​Physics World

La matière noire représente environ 85 % de la matière totale de l'univers et les cosmologistes pensent qu'elle a joué un rôle majeur dans la formation des galaxies. Nous connaissons l’emplacement de cette matière noire galactique grâce à des études astronomiques qui cartographient la façon dont la lumière provenant de galaxies lointaines se courbe lorsqu’elle se déplace vers nous. Mais jusqu’à présent, les efforts visant à détecter la matière noire piégée dans le champ gravitationnel terrestre ont échoué, même si ce type de matière noire – connue sous le nom de matière noire thermalisée – devrait être présente en plus grande quantité.

Le problème est que la matière noire thermalisée se déplace beaucoup plus lentement que la matière noire galactique, ce qui signifie que son énergie peut être trop faible pour être détectée par les instruments conventionnels. Les physiciens du Laboratoire national SLAC aux États-Unis ont proposé une alternative qui consiste à rechercher la matière noire thermalisée d'une manière entièrement nouvelle, en utilisant des capteurs quantiques fabriqués à partir de bits quantiques supraconducteurs (qubits).

Une approche entièrement nouvelle

L'idée de la nouvelle méthode est venue du SLAC Noé Kurinsky, qui travaillait sur repenser les qubits transmon en tant que capteurs actifs pour les photons et les phonons. Les qubits Transmon doivent être refroidis à des températures proches du zéro absolu (-273 °C) avant de devenir suffisamment stables pour stocker des informations, mais même à ces températures extrêmement basses, l'énergie rentre souvent dans le système et perturbe les états quantiques des qubits. L'énergie indésirable est généralement imputée à un appareil de refroidissement imparfait ou à une source de chaleur dans l'environnement, mais Kurinsky a pensé qu'elle pourrait avoir une origine beaucoup plus intéressante : « Et si nous avions en fait un système parfaitement froid, et la raison pour laquelle nous pouvons "Je ne le refroidis pas efficacement parce qu'il est constamment bombardé par de la matière noire ?"

Tandis que Kurinsky réfléchissait à cette nouvelle possibilité, son collègue du SLAC Rébecca Léane développait un nouveau cadre pour calculer la densité attendue de matière noire à l’intérieur de la Terre. D'après ces nouveaux calculs, que Leane a effectués avec Anirban Das (maintenant chercheur postdoctoral à l'Université nationale de Séoul, Corée), cette densité locale de matière noire pourrait être extrêmement élevée à la surface de la Terre – bien plus élevée qu'on ne le pensait auparavant.

"Das et moi avions discuté des dispositifs possibles à faible seuil qui pourraient sonder cette densité élevée de matière noire prévue, mais avec peu d'expérience dans ce domaine, nous nous sommes tournés vers Kurinsky pour un apport vital", explique Leane. "Das a ensuite effectué des calculs de diffusion à l'aide de nouveaux outils permettant de calculer le taux de diffusion de la matière noire à l'aide de la structure des phonons (vibration du réseau) d'un matériau donné."

Seuil d'énergie bas

Les chercheurs ont calculé qu’un capteur quantique de matière noire s’activerait à des énergies extrêmement basses, de seulement un millième d’électronvolt (1 meV). Ce seuil est bien inférieur à celui de tout détecteur de matière noire comparable, et cela implique qu'un capteur quantique de matière noire pourrait détecter la matière noire galactique de faible énergie ainsi que les particules de matière noire thermalisées piégées autour de la Terre.

Les chercheurs reconnaissent qu’il reste beaucoup de travail à faire avant qu’un tel détecteur voie le jour. D’une part, ils devront identifier le meilleur matériau pour le fabriquer. « Au départ, nous nous sommes penchés sur l'aluminium, simplement parce que c'est probablement le matériau le mieux caractérisé qui ait été utilisé jusqu'à présent pour les détecteurs », explique Leane. "Mais il se pourrait que, pour le type de plage de masse que nous examinons et le type de détecteur que nous souhaitons utiliser, il existe peut-être un meilleur matériau."

Les chercheurs visent désormais à étendre leurs résultats à une classe plus large de modèles de matière noire. "Du côté expérimental, le laboratoire de Kurinsky teste la première série de capteurs spécialement conçus qui visent à construire de meilleurs modèles de génération, de recombinaison et de détection de quasiparticules et à étudier la dynamique de thermalisation des quasiparticules dans les qubits, ce qui est peu compris", explique Leane. Monde de la physique. "Les quasiparticules dans un supraconducteur semblent se refroidir beaucoup moins efficacement qu’on ne le pensait auparavant, mais à mesure que ces dynamiques seront mieux calibrées et modélisées, les résultats deviendront moins incertains et nous pourrons comprendre comment fabriquer des dispositifs plus sensibles.

L'étude est détaillée dans Physical Review Letters.

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• La source: https://physicsworld.com/a/looking-for-dark-matter-differently/