La matière noire constitue l’un des défis les plus urgents de la physique moderne, les particules de matière noire étant insaisissables et difficiles à détecter. Cela a incité les scientifiques à trouver des moyens nouveaux et innovants de rechercher ces particules.

Il existe plusieurs candidats pour les particules de matière noire, tels que les WIMP, les particules claires de matière noire (axions) et l'hypothétique gravitino. La matière noire claire, y compris les particules bosoniques comme l'axion QCD (chromodynamique quantique), est devenue un point d'intérêt ces dernières années.

Ces particules ont généralement des interactions supprimées avec le modèle standard, ce qui les rend difficiles à détecter. Cependant, connaître leurs caractéristiques, notamment leur comportement ondulatoire et leur nature cohérente à l'échelle galactique, permet de concevoir des expériences plus efficaces.

Dans le nouveau PRL Dans cette étude, des chercheurs de l'Université du Maryland et de l'Université Johns Hopkins ont proposé un interféromètre laser à axions galactiques utilisant l'électro-optique ou GALILEO, une nouvelle approche pour détecter à la fois la matière noire à axions et à photons noirs sur une large plage de masses.

Le chercheur principal Reza Ebadi, étudiant diplômé au Quantum Technology Center (QTC) de l'Université du Maryland, a parlé à Phys.org de la recherche et de leur motivation pour développer cette nouvelle approche :« Bien que le modèle standard fournisse des explications réussies de phénomènes allant des distances subnucléaires à la taille de l'univers, ce n'est pas une explication complète de la nature."

"Cela ne tient pas compte des observations cosmologiques à partir desquelles l'existence de la matière noire est déduite. Nous aspirons à mieux comprendre les théories physiques opérant à l'échelle galactique à l'aide d'expériences en laboratoire à petite échelle."

Axions et particules de type axion

Les axions et les particules de type axion ont été initialement proposés pour résoudre des problèmes de physique des particules, tels que le problème de forte parité de charge (CP). Ce problème découle de l'observation selon laquelle la force forte ne semble pas présenter un type particulier de violation de symétrie, appelé violation de CP, autant que la théorie le prédit.

Ce cadre théorique donne naturellement naissance à des particules de type axion, qui partagent des propriétés similaires aux axions, les deux étant des bosons.

Les axions et les particules de type axion devraient avoir des masses très faibles, allant généralement de microélectronvolts à milliélectronvolts. Cela en fait des candidats appropriés pour la matière noire claire, car ils peuvent présenter un comportement ondulatoire à l'échelle galactique.

En plus de leur faible masse, les axions et les particules de type axion interagissent très faiblement avec la matière ordinaire, ce qui les rend difficiles à détecter par les moyens conventionnels.

Ce sont quelques-unes des raisons pour lesquelles les chercheurs ont choisi de détecter ces particules dans leur configuration expérimentale. Cependant, la méthode repose sur les champs électriques oscillatoires produits par ces particules.

Dans les régions où la densité de matière noire est importante, les axions et les ALP peuvent subir des oscillations cohérentes. Ces oscillations cohérentes peuvent donner naissance à des signaux détectables, tels que des champs électriques oscillatoires, que l'expérience GALILEO proposée vise à mesurer.

GALILEO

"Les candidats à la matière noire claire se comportent comme des ondes dans le voisinage solaire. De telles ondes de matière noire devraient induire de très faibles champs électriques oscillants avec des champs magnétiques en raison de leurs minuscules interactions avec l'électromagnétisme."

"Nous nous sommes concentrés sur la détection du champ électrique plutôt que sur le champ magnétique, qui est le signal cible dans la plupart des expériences actuelles et proposées", a expliqué Ebadi.

Les champs électriques clairs induits par la matière noire peuvent être détectés à l'aide de matériaux électro-optiques, où le champ électrique externe modifie les propriétés du matériau, telles que l'indice de réfraction.

GALILEO utilise un interféromètre asymétrique de Michelson, un appareil capable de mesurer les changements d'indice de réfraction. Un bras de l'interféromètre contient le matériau électro-optique.

Lorsqu'un faisceau laser sonde est divisé et envoyé à travers les deux bras de l'interféromètre, le bras contenant le matériau électro-optique introduit un indice de réfraction variable. Ce changement d'indice de réfraction affecte la phase du faisceau laser, entraînant un signal oscillant lorsque les faisceaux sont fusionnés.

En mesurant la vitesse de phase différentielle entre les deux bras de l'interféromètre, GALILEO peut détecter la fréquence d'oscillation induite par la matière claire et noire. Ce signal oscillatoire sert de signature de la présence de particules de matière noire.

La sensibilité de la méthode peut être augmentée en incorporant des cavités Fabry-Pérot (qui augmentent la longueur du bras de l'interféromètre, permettant une plus grande précision) et en prenant des mesures indépendantes répétées.

Interférométrie laser et mise en œuvre de GALILEO

La recherche s'appuie sur des mesures de précision par interférométrie laser.

Ebadi a expliqué :"LIGO, le détecteur d'ondes gravitationnelles basé au sol, est un excellent exemple de la façon dont les interféromètres laser peuvent être utilisés pour des mesures de précision."

"Notre proposition utilise des avancées technologiques similaires à celles de LIGO, telles que les cavités Fabry-Pérot ou la lumière comprimée pour supprimer la limite de bruit quantique. Cependant, contrairement à LIGO, l'interféromètre GALILEO proposé est un dispositif à l'échelle d'une table."

Même si le travail est théorique, les chercheurs envisagent déjà de mettre en œuvre le programme expérimental étape par étape.

Plus important encore, ils souhaitent déterminer les paramètres techniques requis pour une configuration expérimentale optimisée, qu'ils prévoient d'utiliser pour mener des expériences scientifiques de recherche de matière claire et noire.

De plus, Ebadi souligne l'importance d'exploiter des cavités Fabry-Pérot de haute finesse aux côtés d'un matériau électro-optique à l'intérieur de la cavité, ainsi que de caractériser le bilan de bruit et la systématique de configuration, qui sont des aspects cruciaux du processus expérimental.

"GALILEO a le potentiel d'être un élément important de la mission plus vaste consistant à explorer le vaste espace théoriquement viable des candidats à la matière noire", a conclu Ebadi.