L'univers est un endroit étonnamment secret. Des substances mystérieuses connues sous le nom de matière noire et d'énergie noire en représentent 95 %. Malgré d'énormes efforts pour découvrir ce qu'ils sont, nous ne savons tout simplement pas.

Nous savons que la matière noire existe à cause de l'attraction gravitationnelle des amas de galaxies – la matière que nous pouvons voir dans un amas n'est tout simplement pas suffisante pour le maintenir ensemble par gravité. Il doit donc y avoir du matériel supplémentaire là-bas, composé de particules inconnues qui ne nous sont tout simplement pas visibles. Plusieurs particules candidates ont déjà été proposées.

Les scientifiques tentent de déterminer ce que sont ces particules inconnues en examinant comment elles affectent la matière ordinaire que nous voyons autour de nous. Mais jusqu'à présent, cela s'est avéré difficile, nous savons donc qu'elle n'interagit que faiblement avec la matière normale au mieux. Maintenant, mon collègue Benjamin Varcoe et moi avons trouvé une nouvelle façon de sonder la matière noire qui pourrait bien s'avérer efficace :en utilisant des atomes qui ont été étirés jusqu'à 4, 000 fois plus grand que d'habitude.

Atomes avantageux

Nous avons parcouru un long chemin depuis la vision grecque des atomes en tant que composants indivisibles de toute matière. Le premier argument fondé sur des preuves pour l'existence des atomes a été présenté au début des années 1800 par John Dalton. Mais ce n'est qu'au début du 20e siècle que JJ Thomson et Ernest Rutherford ont découvert que les atomes sont constitués d'électrons et d'un noyau. Peu après, Erwin Schrödinger a décrit mathématiquement l'atome en utilisant ce qu'on appelle aujourd'hui la théorie quantique.

Les expériences modernes ont été capables de piéger et de manipuler des atomes individuels avec une précision exceptionnelle. Ces connaissances ont été utilisées pour créer de nouvelles technologies, comme les lasers et les horloges atomiques, et les futurs ordinateurs pourraient utiliser des atomes uniques comme composants principaux.

Les atomes individuels sont difficiles à étudier et à contrôler car ils sont très sensibles aux perturbations externes. Cette sensibilité est généralement un inconvénient, mais notre étude suggère que cela rend certains atomes idéaux comme sondes pour la détection de particules qui n'interagissent pas fortement avec la matière ordinaire, comme la matière noire.

Notre modèle est basé sur le fait que les particules interagissant faiblement doivent rebondir sur le noyau de l'atome avec lequel elles entrent en collision et échanger une petite quantité d'énergie avec lui - similaire à la collision entre deux boules de billard. L'échange d'énergie va produire un déplacement brutal du noyau qui sera éventuellement ressenti par l'électron. Cela signifie que toute l'énergie de l'atome change, qui peuvent être analysés pour obtenir des informations sur les propriétés de la particule en collision.

Cependant, la quantité d'énergie transférée est très faible, un type particulier d'atome est donc nécessaire pour rendre l'interaction pertinente. Nous avons compris que le soi-disant « atome de Rydberg » ferait l'affaire. Ce sont des atomes avec de longues distances entre l'électron et le noyau, ce qui signifie qu'ils possèdent une énergie potentielle élevée. L'énergie potentielle est une forme d'énergie stockée. Par exemple, une balle sur une étagère haute a de l'énergie potentielle car elle pourrait être convertie en énergie cinétique si elle tombe de l'étagère.

Dans le laboratoire, il est possible de piéger des atomes et de les préparer dans un état Rydberg - les rendant aussi gros que 4, 000 fois leur taille d'origine. Cela se fait en éclairant les atomes avec un laser avec de la lumière à une fréquence très spécifique.

Cet atome préparé est probablement beaucoup plus lourd que les particules de matière noire. Alors plutôt qu'une balle de billard en heurte une autre, une description plus appropriée sera une bille frappant une boule de bowling. Il semble étrange que les gros atomes soient plus perturbés par les collisions que les petits – on peut s'attendre au contraire (les plus petites choses sont généralement plus affectées lorsqu'une collision se produit).

L'explication est liée à deux caractéristiques des atomes de Rydberg :ils sont très instables en raison de leur énergie élevée, donc des perturbations mineures les dérangeraient davantage. Aussi, en raison de leur grande superficie, la probabilité que les atomes interagissent avec les particules est augmentée, ils subiront donc plus de collisions.

Repérer les plus petites particules

Les expériences actuelles recherchent généralement des particules de matière noire en essayant de détecter leur diffusion sur des noyaux atomiques ou des électrons sur Terre. Pour ce faire, ils recherchent des électrons légers ou libres dans de grands réservoirs de gaz nobles liquides qui sont générés par le transfert d'énergie entre la particule de matière noire et les atomes du liquide.

Mais, selon les lois de la mécanique quantique, il doit y avoir un certain transfert d'énergie minimum pour que la lumière soit produite. Une analogie serait une particule entrant en collision avec une corde de guitare :elle produira une note que nous pouvons entendre, mais si la particule est trop petite, la corde ne vibrera pas du tout.

Le problème avec ces méthodes est donc que la particule de matière noire doit être suffisamment grosse si nous voulons la détecter de cette manière. Cependant, nos calculs montrent que les atomes de Rydberg seront perturbés de manière significative, même par des particules de faible masse, ce qui signifie qu'ils peuvent être appliqués pour rechercher des candidats de matière noire que d'autres expériences manquent. L'une de ces particules est l'Axion, une particule hypothétique qui est un fort candidat pour la matière noire.

Les expériences exigeraient que les atomes soient traités avec un soin extrême, mais ils ne nécessiteront pas d'être effectués dans une installation souterraine profonde comme d'autres expériences, car les atomes de Rydberg devraient être moins sensibles aux rayons cosmiques que la matière noire.

Nous travaillons à améliorer encore la sensibilité du système, visant à étendre la gamme de particules qu'il peut être capable de percevoir.

Au-delà de la matière noire, nous visons également à l'appliquer un jour à la détection des ondes gravitationnelles, les ondulations du tissu spatial prédites par Einstein il y a longtemps. Ces perturbations du continuum espace-temps ont été récemment découvertes, mais nous pensons qu'en utilisant des atomes, nous pourrons peut-être détecter des ondes gravitationnelles avec une fréquence différente de celles déjà observées.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.