Il y a quarante ans, les scientifiques ont théorisé un nouveau type de particule de faible masse qui pourrait résoudre l'un des mystères persistants de la nature :de quoi est faite la matière noire. Maintenant, un nouveau chapitre dans la recherche de cette particule a commencé.

Cette semaine, l'expérience Axion Dark Matter (ADMX) a dévoilé un nouveau résultat, Publié dans Lettres d'examen physique , cela le place dans une catégorie d'un :c'est la première et la seule expérience au monde à avoir atteint la sensibilité nécessaire pour « entendre » les signes révélateurs des axions de matière noire. Cette rupture technologique est le résultat de plus de 30 ans de recherche et développement, avec la dernière pièce du puzzle sous la forme d'un appareil quantique qui permet à ADMX d'écouter les axions de plus près que n'importe quelle expérience jamais construite.

ADMX est géré par le Fermi National Accelerator Laboratory du département américain de l'Énergie et situé à l'Université de Washington. Ce nouveau résultat, le premier de la deuxième génération d'ADMX, fixe des limites sur une petite gamme de fréquences où les axions peuvent se cacher et prépare le terrain pour une recherche plus large dans les années à venir.

"Ce résultat marque le début de la véritable chasse aux axions, " a déclaré le scientifique du Fermilab Andrew Sonnenschein, le responsable des opérations pour ADMX. « Si des axions de matière noire existent dans la bande de fréquences, nous allons sonder au cours des prochaines années, alors ce n'est qu'une question de temps avant que nous les trouvions."

Une théorie suggère que la matière noire qui maintient les galaxies ensemble pourrait être composée d'un grand nombre de particules de faible masse, qui sont presque invisibles à la détection lorsqu'ils traversent le cosmos. Les efforts dans les années 1980 pour trouver cette particule, nommé l'axion par le théoricien Frank Wilczek, actuellement du Massachusetts Institute of Technology, ont échoué, montrant que leur détection serait extrêmement difficile.

L'ADMX est un haloscope axion—essentiellement un grand récepteur radio à faible bruit, que les scientifiques accordent à différentes fréquences et écoutent pour trouver la fréquence du signal axion. Les axions n'interagissent presque jamais avec la matière, mais à l'aide d'un fort champ magnétique et d'un froid, foncé, bien réglé, boîte réfléchissante, L'ADMX peut "entendre" les photons créés lorsque les axions se convertissent en ondes électromagnétiques à l'intérieur du détecteur.

"Si vous pensez à une radio AM, c'est exactement comme ça, " dit Gray Rybka, co-porte-parole de l'ADMX et professeur assistant à l'Université de Washington. "Nous avons construit une radio qui cherche une station de radio, mais nous ne connaissons pas sa fréquence. On tourne lentement le bouton tout en écoutant. Idéalement, nous entendrons une tonalité lorsque la fréquence est correcte."

Cette méthode de détection, qui pourrait rendre visible "l'axion invisible", a été inventé par Pierre Sikivie de l'Université de Floride en 1983, tout comme l'idée que les halos galactiques pourraient être constitués d'axions. Expériences et analyses pionnières par une collaboration du Fermilab, l'Université de Rochester et le Brookhaven National Laboratory du Département de l'énergie des États-Unis, ainsi que des scientifiques de l'Université de Floride, a démontré la praticité de l'expérience. Cela a conduit à la construction à la fin des années 1990 d'un détecteur à grande échelle au Lawrence Livermore National Laboratory du département de l'Énergie des États-Unis, qui est à la base de l'ADMX actuel.

Ce n'était que récemment, cependant, que l'équipe ADMX a été en mesure de déployer à leur plein potentiel les amplificateurs quantiques supraconducteurs, permettant à l'expérience d'atteindre une sensibilité sans précédent. Les précédentes exécutions de l'ADMX étaient entravées par le bruit de fond généré par le rayonnement thermique et l'électronique de la machine.

La correction du bruit de rayonnement thermique est facile :un système de réfrigération refroidit le détecteur jusqu'à 0,1 Kelvin (environ moins 460 degrés Fahrenheit). Mais éliminer le bruit de l'électronique s'est avéré plus difficile. Les premières séries d'ADMX utilisaient des amplificateurs à transistors standard, mais après s'être connecté avec John Clarke, professeur à l'Université de Californie, Berkeley, Clarke a développé un amplificateur limité quantique pour l'expérience. Cette technologie beaucoup plus silencieuse, combiné avec le groupe frigorifique, réduit le bruit d'un niveau suffisamment important pour que le signal, si ADMX en découvre un, viendra fort et clair.

"Les versions initiales de cette expérience, avec des amplificateurs à transistors, aurait pris des centaines d'années pour analyser la gamme la plus probable des masses d'axions. Avec les nouveaux détecteurs supraconducteurs, nous pouvons rechercher la même plage sur des échelles de temps de quelques années seulement, " a déclaré Gianpaolo Carosi, co-porte-parole de l'ADMX et scientifique du Lawrence Livermore National Laboratory.

"Ce résultat plante un drapeau, " a déclaré Leslie Rosenberg, professeur à l'Université de Washington et scientifique en chef pour l'ADMX. "Cela dit au monde que nous avons la sensibilité, et avoir une très bonne chance de trouver l'axion. Aucune nouvelle technologie n'est nécessaire. Nous n'avons plus besoin d'un miracle, nous avons juste besoin de temps."

ADMX va maintenant tester des millions de fréquences à ce niveau de sensibilité. Si des axions sont trouvés, ce serait une découverte majeure qui pourrait expliquer non seulement la matière noire, mais d'autres mystères persistants de l'univers. Si ADMX ne trouve pas d'axions, qui peuvent forcer les théoriciens à concevoir de nouvelles solutions à ces énigmes.

"Une découverte pourrait arriver à tout moment au cours des prochaines années, " a déclaré le scientifique Aaron Chou du Laboratoire Fermi. " La route a été longue pour en arriver là, mais nous sommes sur le point de commencer la période la plus excitante de cette recherche continue d'axions."