Un dispositif de détection conçu et construit à Yale affine la recherche de matière noire sous forme d'axions, une particule subatomique théorique qui pourrait constituer jusqu'à 80 % de la matière de l'univers.

Dirigé par le physicien de Yale Steve Lamoreaux, une équipe de scientifiques a annoncé les premiers résultats du projet, appelé Haloscope At Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter (HAYSTAC). Les résultats apparaissent dans le journal Lettres d'examen physique .

"L'existence de la matière noire a été établie avec un haut degré de confiance. Cependant, à l'heure actuelle, personne ne sait ce que c'est, et il reste parmi les questions en suspens de la science moderne, " a déclaré Lamoreaux. "Nos travaux fixent des limites importantes à une théorie de pointe de la matière noire."

Cette théorie est centrée sur l'axion, une particule qui a été proposée dans les années 1980. Lamoreaux a dit que l'axion - qui n'a pas de charge, sans essorage, et une quantité infime de masse - possède toutes les propriétés nécessaires pour être un candidat convaincant pour la matière noire. La densité de matière noire observée dans notre galaxie nécessite environ 10 000 milliards d'axions par centimètre cube; cependant, leurs interactions directes avec la matière ordinaire sont si faibles que leur détection nécessite des techniques expérimentales extrêmement sensibles.

En utilisant un nouvel instrument construit au Wright Lab de Yale, Lamoreaux et ses collègues ont élargi les paramètres possibles pour détecter les axions. Leur étude démontre la sensibilité de l'instrument nécessaire pour détecter des axions 10 fois plus lourds que ceux ciblés par les expériences précédentes.

Les détecteurs d'axions utilisent des champs magnétiques intenses pour convertir les axions en photons micro-ondes détectables à une fréquence spécifique déterminée par la masse inconnue de l'axion. Des expériences antérieures ont recherché des axions de faible masse. Pousser la recherche à des masses plus élevées a été un défi pour les scientifiques car cela nécessite des détecteurs à haute fréquence qui sont physiquement plus petits, et les signaux de la conversion axionique dans de tels cas sont plus faibles.

"Notre avancée majeure a été de rendre le détecteur plus froid et plus silencieux que jamais auparavant, en adaptant des amplificateurs développés pour la recherche en informatique quantique dont les performances en bruit approchent les limites fondamentales imposées par les lois de la mécanique quantique, " dit Lamoreaux. " Avec les premières données de notre détecteur, nous avons fixé des limites sur les interactions des axions de matière noire et ouvert une nouvelle partie de la plage de masse des axions autorisée à l'investigation expérimentale."

Le premier auteur de l'article est Ben Brubaker, un étudiant diplômé du laboratoire Lamoreaux à Yale. Les co-auteurs supplémentaires de Yale sont Ling Zhong, Ioulia Gourevitch, Sidney Cahn, et Kelly Backes. Les autres co-auteurs sont de l'Université de Californie-Berkeley, l'Université du Colorado, l'Institut national des normes et de la technologie, et Laboratoire national Lawrence Livermore.

"L'expérience sur la matière noire axion à Yale repousse les frontières de l'astrophysique des particules, " a déclaré Karsten Heeger, directeur du laboratoire Wright. « C'est un brillant exemple d'expérience universitaire qui utilise une instrumentation de pointe et s'appuie sur l'infrastructure locale pour répondre à l'une des questions fondamentales sur l'univers et former la prochaine génération de scientifiques. Nous sommes ravis d'avoir un tel effort de classe mondiale ici sur le campus du Wright Lab."