Une équipe de chercheurs de l'Université de Stanford a pour mission d'identifier une fois pour toutes la matière noire. Mais d'abord, ils devront construire la radio la plus sensible au monde.

"La matière noire est la majeure partie de la matière dans notre univers. Nous ne savons pas ce que c'est mais nous savons qu'elle est là parce que nous pouvons voir ses effets gravitationnels, " a expliqué Peter Graham, professeur agrégé de physique à la School of Humanities and Sciences de Stanford et l'un des leaders de cette recherche de la matière noire. "Nous savons également qu'il doit être composé d'une particule totalement différente avec des propriétés différentes de tout ce que nous avons jamais trouvé."

Graham et Savas Dimopoulos, le professeur de physique de la famille Hamamoto à Stanford, ont développé des théories sur la matière noire qui préconisent des expériences de haute précision axées sur la recherche d'axions, particules théoriques qui sont parmi les candidats les plus probables pour la matière noire. Leurs théories, autrefois considérées comme « intéressantes mais là-bas, " selon Graham, gagnent en popularité alors que d'autres candidats à la matière noire sont écartés et que les nouvelles technologies rendent leurs expériences exigeantes possibles. Maintenant, la Fondation Gordon et Betty Moore a accordé aux chercheurs de Stanford environ 2,5 millions de dollars pour prototyper un nouveau type de capteur de matière noire .

Guidé par les théories de Graham et Dimopoulos, Kent Irwin, professeur de physique, de physique des particules et d'astrophysique et de science des photons au Stanford et au SLAC National Accelerator Laboratory, construit la radio de la matière noire, qui recherchera le signal des axions de la même manière qu'une radio AM standard capte une émission. Comme une station de radio AM, la matière noire axion a une fréquence précise, mais cette fréquence est inconnue. Grâce aux progrès des capteurs quantiques, la radio sera beaucoup plus sensible que les expériences passées sur la matière noire, et capable de balayer une large bande de fréquences les plus susceptibles de révéler des axions.

"Ce projet est un très bel exemple de personnes aux expertises très différentes qui se réunissent pour résoudre un problème difficile, " a déclaré Risa Wechsler, directeur de l'Institut Kavli d'astrophysique et de cosmologie des particules (KIPAC) et professeur de physique et de physique des particules et d'astrophysique. "La matière noire représente 85 % de la masse de l'univers et je pense qu'il est très peu probable que nous existions sans elle. La chose excitante à propos de cette expérience est qu'elle ouvre tellement d'espace de découverte qui était auparavant inaccessible."

Même si les chercheurs ne trouvent pas l'axion, leur travail aurait la particularité de rechercher une fraction importante de sa gamme de fréquences possible. Les chercheurs sont également ravis de voir comment leur développement de capteurs contribuera à des applications dérivées dans divers domaines.

La radio de la matière noire

La matière noire constitue la majeure partie de la masse de l'univers, mais chaque axion est théorisé pour avoir une masse si faible - entrant dans la catégorie de la matière noire ultra-légère - qu'elle pourrait s'étaler sur des kilomètres. Mécanique quantique, qui est l'étude du comportement de particules extrêmement petites, soutient que chaque particule se comporte également comme une onde. Donc, si les axions existent, ils ondulent tout autour de nous comme un signal radio. L'équipe de Dark Matter Radio recherchera la fréquence qui transporte le signal des ondulations ondulatoires de cet océan d'axions qui se chevauchent.

La première astuce consiste à convertir les ondes axioniques en ondes radio, grâce à un champ magnétique puissant à l'intérieur de la radio de la matière noire. La radio de la matière noire est également entourée d'un bouclier supraconducteur de niobium qui bloque les signaux radio réguliers, mais laissera passer les axions.

Même avec toutes ces améliorations, les axions donneront un signal très faible. Donc, le réglage de la radio doit être incroyablement précis, l'équivalent d'un autoradio capable de détecter des stations séparées par un millionième de décimale. Dans le cadre de l'atteinte de ce niveau de sensibilité et de précision, Irwin travaille avec un nouveau type de capteur quantique capable de capter des signaux magnétiques cent millions de milliards de fois plus petits que ce qui est produit par un aimant de réfrigérateur typique.

"Il y a eu une percée dans la capacité de contrôler, créer et manipuler des états quantiques de manière à nous permettre de tirer parti de la théorie qui existe depuis de nombreuses décennies, " a déclaré Irwin. "Ce sont certaines des mêmes techniques qui sont utilisées pour développer des ordinateurs quantiques. Au lieu de les utiliser pour calculer, nous pouvons mesurer les choses avec beaucoup plus de sensibilité et de précision qu'auparavant, et les techniques que nous utilisons auront de larges applications."

Les mêmes capteurs quantiques que les chercheurs intègrent dans la radio pourraient également améliorer la précision des techniques de balayage médical qui mesurent les propriétés des champs magnétiques et électriques dans le corps humain.

Au-delà du tableau blanc

Jusque là, les chercheurs ont réussi à construire un prototype de la taille d'une canette de soda de la radio sur la matière noire qui fonctionne comme une radio AM extra-sensible. Ils travaillent actuellement sur une version plus grande qui sera capable de balayer toutes les fréquences d'intérêt avec une sensibilité suffisante pour mesurer la matière noire des axions.

"La plupart des idées que nous, les théoriciens, avons échouent avant même d'arriver quelque part, c'était donc un gros problème de voir cette idée folle que nous avions sur un tableau blanc devenir une chose physique, " dit Graham. " Les expérimentateurs, comme Kent, ont encore beaucoup de travail devant eux mais pour moi, on dirait l'aboutissement de tant d'années de travail. La radio de la matière noire va être réelle. Ça va arriver."