28 mars 2024 (Actualités Nanowerk) Depuis sa découverte, la matière noire est restée invisible aux yeux des scientifiques, malgré le lancement de multiples expériences de détecteurs de particules ultrasensibles à travers le monde pendant plusieurs décennies. Aujourd'hui, les physiciens du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie (DOE) proposent une nouvelle façon de rechercher la matière noire à l'aide de dispositifs quantiques, qui pourraient être naturellement réglés pour détecter ce que les chercheurs appellent la matière noire thermalisée.
(À gauche) La nouvelle proposition de détection de matière noire recherche les interactions fréquentes entre les noyaux d'un détecteur et la matière noire de faible énergie qui peut être présente sur et autour de la Terre. (À droite) Une expérience de détection directe conventionnelle recherche les reculs occasionnels dus à la diffusion de matière noire. (Image : Anirban Das, Noah Kurinsky et Rebecca Leane) La plupart des expériences sur la matière noire recherchent la matière noire galactique, qui s'envole vers la Terre directement depuis l'espace, mais une autre sorte pourrait traîner autour de la Terre depuis des années, a déclaré la physicienne du SLAC, Rebecca Leane, qui a été un auteur sur la nouvelle étude (Physical Review Letters, «Puissance induite par la matière noire dans les appareils quantiques»).
"La matière noire pénètre dans la Terre, rebondit beaucoup et finit par être piégée par le champ gravitationnel de la Terre", a déclaré Leane, l'amenant dans un équilibre que les scientifiques appellent thermalisé. Au fil du temps, cette matière noire thermalisée s'accumule jusqu'à atteindre une densité plus élevée que les quelques particules galactiques libres, ce qui signifie qu'elle pourrait être plus susceptible de heurter un détecteur. Malheureusement, la matière noire thermalisée se déplace beaucoup plus lentement que la matière noire galactique, ce qui signifie qu’elle transmettrait beaucoup moins d’énergie que la matière noire galactique – probablement trop peu pour que les détecteurs traditionnels la voient.
C'est dans cet esprit que Leane et Anirban Das, boursier postdoctoral du SLAC, ont contacté Noah Kurinsky, un scientifique du SLAC et chef d'un nouveau laboratoire axé sur la détection de la matière noire avec des capteurs quantiques, qui réfléchissait à un casse-tête : même lorsque les supraconducteurs sont refroidi à zéro absolu, éliminant toute l'énergie du système et créant un état quantique stable, l'énergie rentre d'une manière ou d'une autre et perturbe l'état quantique.
En règle générale, les scientifiques supposent que cela est dû à des systèmes de refroidissement imparfaits ou à une source de chaleur présente dans l'environnement, a déclaré Kurinksy. Mais il pourrait y avoir une autre raison, a-t-il déclaré : « Et si nous avions en fait un système parfaitement froid et que la raison pour laquelle nous ne pouvons pas le refroidir efficacement est parce qu'il est constamment bombardé par de la matière noire ? » Das, Kurinsky et Leane se sont demandés si les dispositifs quantiques supraconducteurs pouvaient être repensés pour devenir des détecteurs de matière noire thermalisés. Selon leurs calculs, l’énergie minimale nécessaire pour activer un capteur quantique est suffisamment faible – environ un millième d’électron-volt – pour qu’il puisse détecter la matière noire galactique de faible énergie ainsi que les particules de matière noire thermalisées qui traînent autour de la Terre.
Bien sûr, cela ne signifie pas que la matière noire est responsable de la perturbation des dispositifs quantiques – cela est simplement possible. Selon Leane et Kurinsky, la prochaine étape consiste à déterminer si et comment ils peuvent transformer des appareils quantiques sensibles en détecteurs de matière noire.
Avec cela, il y a quelques éléments à considérer. Pour commencer, il existe peut-être un meilleur matériau pour fabriquer l’appareil. "Nous avons commencé par étudier l'aluminium, simplement parce que c'est probablement le matériau le mieux caractérisé qui ait été utilisé jusqu'à présent pour les détecteurs", a déclaré 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." Il est également possible que la matière noire thermalisée n'interagisse pas avec un dispositif quantique de la même manière que la matière noire galactique est soupçonnée d'interagir avec les dispositifs de détection directe, a déclaré Leane. "Dans cette étude, nous pensions simplement à un cas simple où la matière noire entrant et rebondissant directement sur le détecteur, mais cela pourrait faire beaucoup d'autres choses." Par exemple, d’autres particules pourraient interagir avec la matière noire, modifiant ainsi la façon dont les particules dans le détecteur sont distribuées.
«C'est l'un des avantages du SLAC», déclare Leane.
(À gauche) La nouvelle proposition de détection de matière noire recherche les interactions fréquentes entre les noyaux d'un détecteur et la matière noire de faible énergie qui peut être présente sur et autour de la Terre. (À droite) Une expérience de détection directe conventionnelle recherche les reculs occasionnels dus à la diffusion de matière noire. (Image : Anirban Das, Noah Kurinsky et Rebecca Leane) La plupart des expériences sur la matière noire recherchent la matière noire galactique, qui s'envole vers la Terre directement depuis l'espace, mais une autre sorte pourrait traîner autour de la Terre depuis des années, a déclaré la physicienne du SLAC, Rebecca Leane, qui a été un auteur sur la nouvelle étude (Physical Review Letters, «Puissance induite par la matière noire dans les appareils quantiques»).
"La matière noire pénètre dans la Terre, rebondit beaucoup et finit par être piégée par le champ gravitationnel de la Terre", a déclaré Leane, l'amenant dans un équilibre que les scientifiques appellent thermalisé. Au fil du temps, cette matière noire thermalisée s'accumule jusqu'à atteindre une densité plus élevée que les quelques particules galactiques libres, ce qui signifie qu'elle pourrait être plus susceptible de heurter un détecteur. Malheureusement, la matière noire thermalisée se déplace beaucoup plus lentement que la matière noire galactique, ce qui signifie qu’elle transmettrait beaucoup moins d’énergie que la matière noire galactique – probablement trop peu pour que les détecteurs traditionnels la voient.
C'est dans cet esprit que Leane et Anirban Das, boursier postdoctoral du SLAC, ont contacté Noah Kurinsky, un scientifique du SLAC et chef d'un nouveau laboratoire axé sur la détection de la matière noire avec des capteurs quantiques, qui réfléchissait à un casse-tête : même lorsque les supraconducteurs sont refroidi à zéro absolu, éliminant toute l'énergie du système et créant un état quantique stable, l'énergie rentre d'une manière ou d'une autre et perturbe l'état quantique.
En règle générale, les scientifiques supposent que cela est dû à des systèmes de refroidissement imparfaits ou à une source de chaleur présente dans l'environnement, a déclaré Kurinksy. Mais il pourrait y avoir une autre raison, a-t-il déclaré : « Et si nous avions en fait un système parfaitement froid et que la raison pour laquelle nous ne pouvons pas le refroidir efficacement est parce qu'il est constamment bombardé par de la matière noire ? » Das, Kurinsky et Leane se sont demandés si les dispositifs quantiques supraconducteurs pouvaient être repensés pour devenir des détecteurs de matière noire thermalisés. Selon leurs calculs, l’énergie minimale nécessaire pour activer un capteur quantique est suffisamment faible – environ un millième d’électron-volt – pour qu’il puisse détecter la matière noire galactique de faible énergie ainsi que les particules de matière noire thermalisées qui traînent autour de la Terre.
Bien sûr, cela ne signifie pas que la matière noire est responsable de la perturbation des dispositifs quantiques – cela est simplement possible. Selon Leane et Kurinsky, la prochaine étape consiste à déterminer si et comment ils peuvent transformer des appareils quantiques sensibles en détecteurs de matière noire.
Avec cela, il y a quelques éléments à considérer. Pour commencer, il existe peut-être un meilleur matériau pour fabriquer l’appareil. "Nous avons commencé par étudier l'aluminium, simplement parce que c'est probablement le matériau le mieux caractérisé qui ait été utilisé jusqu'à présent pour les détecteurs", a déclaré 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." Il est également possible que la matière noire thermalisée n'interagisse pas avec un dispositif quantique de la même manière que la matière noire galactique est soupçonnée d'interagir avec les dispositifs de détection directe, a déclaré Leane. "Dans cette étude, nous pensions simplement à un cas simple où la matière noire entrant et rebondissant directement sur le détecteur, mais cela pourrait faire beaucoup d'autres choses." Par exemple, d’autres particules pourraient interagir avec la matière noire, modifiant ainsi la façon dont les particules dans le détecteur sont distribuées.
«C'est l'un des avantages du SLAC», déclare Leane.
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