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    Recherche de matière noire boostée par la technologie quantique
    Les grands amas de galaxies contiennent à la fois de la matière noire et de la matière normale. L'immense gravité de toute cette matière déforme l'espace autour de l'amas, provoquant la distorsion et l'amplification de la lumière des objets situés derrière l'amas. Ce phénomène est appelé lentille gravitationnelle. NASA/ESA

    Près d'un siècle après que la matière noire a été proposée pour la première fois pour expliquer le mouvement des amas de galaxies, les physiciens ne savent toujours pas de quoi il est fait.

    Des chercheurs du monde entier ont construit des dizaines de détecteurs dans l'espoir de découvrir la matière noire. En tant qu'étudiant diplômé, J'ai aidé à concevoir et à faire fonctionner l'un de ces détecteurs, bien nommé HAYSTAC (Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM). Mais malgré des décennies d'efforts expérimentaux, les scientifiques n'ont pas encore identifié la particule de matière noire.

    Maintenant, la recherche de la matière noire a reçu une aide improbable de la technologie utilisée dans la recherche en informatique quantique. Dans un nouvel article publié dans la revue Nature, mes collègues de l'équipe HAYSTAC et moi décrivons comment nous avons utilisé un peu de supercherie quantique pour doubler la vitesse à laquelle notre détecteur peut rechercher la matière noire. Notre résultat ajoute un boost de vitesse bien nécessaire à la chasse à cette mystérieuse particule.

    Ancienne postdoctorante de Yale Danielle Speller, qui est maintenant professeur adjoint à l'Université Johns Hopkins, documente le processus d'assemblage du détecteur HAYSTAC. Sid Cahn

    Recherche d'un signal de matière noire

    Il existe des preuves convaincantes de l'astrophysique et de la cosmologie qu'une substance inconnue appelée matière noire constitue plus de 80 pour cent de la matière de l'univers. Les physiciens théoriciens ont proposé des dizaines de nouvelles particules fondamentales qui pourraient expliquer la matière noire. Mais pour déterminer laquelle - le cas échéant - de ces théories est correcte, les chercheurs doivent construire différents détecteurs pour tester chacun.

    Une théorie importante propose que la matière noire soit constituée de particules encore hypothétiques appelées axions qui se comportent collectivement comme une onde invisible oscillant à une fréquence très spécifique à travers le cosmos. Les détecteurs Axion - y compris HAYSTAC - fonctionnent comme des récepteurs radio, mais au lieu de convertir les ondes radio en ondes sonores, ils visent à convertir les ondes axioniques en ondes électromagnétiques. Spécifiquement, les détecteurs à axions mesurent deux grandeurs appelées quadratures de champ électromagnétique. Ces quadratures sont deux types distincts d'oscillations de l'onde électromagnétique qui seraient produites si des axions existaient.

    Le principal défi dans la recherche d'axions est que personne ne connaît la fréquence de l'onde axionique hypothétique. Imaginez que vous êtes dans une ville inconnue à la recherche d'une station de radio en particulier en parcourant la bande FM une fréquence à la fois. Les chasseurs Axion font à peu près la même chose :ils règlent leurs détecteurs sur une large gamme de fréquences par étapes discrètes. Chaque étape ne peut couvrir qu'une très petite plage de fréquences d'axions possibles. Cette petite plage est la bande passante du détecteur.

    Le réglage d'une radio implique généralement une pause de quelques secondes à chaque étape pour voir si vous avez trouvé la station que vous recherchez. C'est plus difficile si le signal est faible et qu'il y a beaucoup de statique. Un signal d'axion - même dans les détecteurs les plus sensibles - serait extraordinairement faible par rapport à la statique des fluctuations électromagnétiques aléatoires, que les physiciens appellent le bruit. Plus il y a de bruit, plus le détecteur doit s'asseoir à chaque étape de réglage pour écouter un signal d'axion.

    Malheureusement, les chercheurs ne peuvent pas compter sur la reprise de l'émission axion après quelques dizaines de tours de cadran radio. Une radio FM syntonise de 88 à 108 mégahertz seulement (1 mégahertz équivaut à 1 million de hertz). La fréquence des axions, par contre, peut se situer entre 300 hertz et 300 milliards de hertz. Au rythme où vont les détecteurs d'aujourd'hui, trouver l'axion ou prouver qu'il n'existe pas peut prendre plus de 10, 000 ans.

    Presser le bruit quantique

    Dans l'équipe HAYSTAC, nous n'avons pas ce genre de patience. En 2012, nous avons donc entrepris d'accélérer la recherche d'axion en faisant tout notre possible pour réduire le bruit. Mais en 2017, nous nous sommes retrouvés face à une limite de bruit minimale fondamentale en raison d'une loi de la physique quantique connue sous le nom de principe d'incertitude.

    Le principe d'incertitude stipule qu'il est impossible de connaître simultanément les valeurs exactes de certaines quantités physiques - par exemple, vous ne pouvez pas connaître à la fois la position et la quantité de mouvement d'une particule. Rappelez-vous que les détecteurs d'axions recherchent l'axion en mesurant deux quadratures - ces types spécifiques d'oscillations de champ électromagnétique. Le principe d'incertitude interdit une connaissance précise des deux quadratures en ajoutant un minimum de bruit aux oscillations en quadrature.

    Dans les détecteurs d'axions conventionnels, le bruit quantique du principe d'incertitude obscurcit les deux quadratures de manière égale. Ce bruit ne peut pas être éliminé, mais avec les bons outils, il peut être contrôlé. Notre équipe a trouvé un moyen de contourner le bruit quantique dans le détecteur HAYSTAC, réduire son effet sur une quadrature tout en augmentant son effet sur l'autre. Cette technique de manipulation du bruit est appelée compression quantique.

    Dans un effort mené par les étudiants diplômés Kelly Backes et Dan Palken, l'équipe HAYSTAC a relevé le défi de mettre en œuvre la compression dans notre détecteur, utilisant la technologie des circuits supraconducteurs empruntée à la recherche en informatique quantique. Les ordinateurs quantiques à usage général restent loin, mais notre nouvel article montre que cette technologie de compression peut immédiatement accélérer la recherche de matière noire.

    Kelly Backes, étudiante diplômée de Yale, et Dan Palken, ancien étudiant diplômé du Colorado, assemblent des éléments de la configuration de l'État de compression. Sid Cahn

    Plus grande bande passante, Recherche plus rapide

    Notre équipe a réussi à étouffer le bruit dans le détecteur HAYSTAC. Mais comment avons-nous utilisé cela pour accélérer la recherche d'axions ?

    La compression quantique ne réduit pas le bruit uniformément sur toute la bande passante du détecteur d'axions. Au lieu, il a le plus grand effet sur les bords. Imaginez que vous réglez votre radio sur 88,3 mégahertz, mais la station que vous voulez est en fait à 88,1. Avec la compression quantique, vous seriez en mesure d'entendre votre chanson préférée jouer une station plus loin.

    Dans le monde de la radiodiffusion, ce serait une recette pour le désastre, car différentes stations interféreraient les unes avec les autres. Mais avec un seul signal de matière noire à rechercher, une bande passante plus large permet aux physiciens de rechercher plus rapidement en couvrant plus de fréquences à la fois. Dans notre dernier résultat, nous avons utilisé la compression pour doubler la bande passante de HAYSTAC, nous permettant de rechercher des axions deux fois plus vite qu'avant.

    La compression quantique seule n'est pas suffisante pour parcourir toutes les fréquences d'axions possibles dans un temps raisonnable. Mais doubler le taux de balayage est un grand pas dans la bonne direction, et nous pensons que de nouvelles améliorations de notre système de compression quantique pourraient nous permettre de numériser 10 fois plus rapidement.

    Personne ne sait si les axions existent ou s'ils résoudront le mystère de la matière noire; mais grâce à cette application inattendue de la technologie quantique, nous sommes un peu plus près de répondre à ces questions.

    Benjamin Brubaker est chercheur postdoctoral en physique quantique à l'Université du Colorado à Boulder.

    Cet article est republié de La conversation sous licence Creative Commons. Vous pouvez trouver le article original ici .

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