L'amplificateur à base de SQUID, qui est d'environ un millimètre carré, est surfondu pour être sensible aux faibles signaux des axions, s'ils se transforment en photon micro-ondes dans le détecteur ADMX. Crédit :Image de Sean O'Kelley
Grâce aux amplificateurs quantiques supraconducteurs à faible bruit inventés à l'Université de Californie, Berkeley, les physiciens se lancent maintenant dans la recherche la plus sensible à ce jour des axions, l'un des meilleurs candidats d'aujourd'hui pour la matière noire.
L'expérience Axion sur la matière noire (ADMX) a rapporté aujourd'hui des résultats montrant qu'il s'agit de la première et de la seule expérience au monde à avoir atteint la sensibilité nécessaire pour "entendre" les signes révélateurs des axions de matière noire.
Ce jalon est le résultat de plus de 30 ans de recherche et développement, avec la dernière pièce du puzzle sous la forme d'un dispositif quantique qui permet à ADMX d'écouter les axions de plus près que n'importe quelle expérience jamais construite.
John Clarke, professeur de physique à l'école supérieure de l'UC Berkeley et pionnier dans le développement de détecteurs magnétiques sensibles appelés SQUID (dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs), développé l'amplificateur il y a deux décennies. Scientifiques ADMX, avec la contribution de Clarke, l'ont maintenant intégré au détecteur ADMX de l'Université de Washington, Seattle, et sont prêts à rouler.
"ADMX est une machine compliquée et assez chère, il a donc fallu un certain temps pour construire un détecteur approprié afin qu'ils puissent y installer l'amplificateur SQUID et démontrer qu'il fonctionnait comme annoncé. Ce qu'il a fait, " a déclaré Clarke.
L'équipe ADMX a publié ses résultats en ligne aujourd'hui dans la revue Lettres d'examen physique .
"Ce résultat marque le début de la véritable chasse aux axions, " a déclaré Andrew Sonnenschein au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) à Batavia, Illinois, 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."
Un rendu en coupe du détecteur ADMX, qui peut détecter des axions produisant des photons dans son froid, intérieur sombre. Crédit :collaboration ADMX
Matière noire :MACHOs, WIMPs ou axions ?
La matière noire est les 84 pour cent manquants de la matière dans l'univers, et les physiciens ont longuement cherché de nombreux candidats possibles, les objets de halo compacts les plus massifs, ou MACHOs, et des particules massives interagissant faiblement, ou WIMPs. Malgré des décennies de recherche de MACHO et de WIMP, les scientifiques ont frappé; ils peuvent voir les effets de la matière noire dans l'univers, dans la façon dont les galaxies et les étoiles dans les galaxies se déplacent, mais ils ne peuvent pas voir la matière noire elle-même.
Axions devient l'alternative privilégiée, en partie parce que leur existence résoudrait également des problèmes avec le modèle standard de la physique des particules aujourd'hui, y compris le fait que le neutron doit avoir un moment dipolaire électrique, mais non.
Comme d'autres candidats à la matière noire, les axions sont partout mais difficiles à détecter. Parce qu'ils interagissent si rarement avec la matière ordinaire, ils coulent à travers l'espace, même en passant par la Terre, sans "toucher" la matière ordinaire. ADMX utilise un champ magnétique puissant et un boîte réfléchissante pour encourager les axions à se convertir en photons hyperfréquences, et utilise l'amplificateur quantique pour les "écouter". Tout cela est fait à la température la plus basse possible pour réduire le bruit de fond.
Clarke a appris l'existence d'une pierre d'achoppement clé pour ADMX en 1994, lors de sa rencontre avec la physicienne Leslie Rosenberg, maintenant professeur à l'Université de Washington et scientifique en chef pour ADMX, et Karl van Bibber, maintenant président du département de génie nucléaire de l'UC Berkeley. Parce que le signal axion serait très faible, tout détecteur devrait être très froid et "silencieux". Le bruit de la chaleur, ou rayonnement thermique, est facile à éliminer en refroidissant le détecteur à 0,1 Kelvin, ou environ 460 degrés au-dessous de zéro Fahrenheit. Mais éliminer le bruit des amplificateurs à transistors à semi-conducteurs standard s'est avéré difficile.
Ils ont demandé à Clarke, les amplificateurs SQUID résoudraient-ils ce problème ?
Les amplificateurs super froids réduisent le bruit à la limite absolue
Bien qu'il ait construit des amplificateurs SQUID fonctionnant jusqu'à des fréquences de 100 MHz, aucun ne fonctionnait aux fréquences gigahertz nécessaires, alors il se mit au travail pour en construire un. En 1998, lui et ses collaborateurs avaient résolu le problème, grâce en grande partie au financement initial de la National Science Foundation et au financement ultérieur du ministère de l'Énergie (DOE) par le biais du Lawrence Berkeley National Laboratory. Les amplificateurs sur ADMX ont été financés par le DOE via l'Université de Washington.
Clarke et son groupe ont montré que, refroidi à des températures de dizaines de milliKelvin au-dessus du zéro absolu, l'amplificateur Microstrip SQUID (MSA) pouvait produire un bruit limité quantiquement, C'est, limité seulement par le principe d'incertitude de Heisenberg.
"Tu ne peux pas faire mieux que ça, " a déclaré Clarke.
Cette technologie beaucoup plus silencieuse, combiné avec le groupe frigorifique, réduit le bruit d'un facteur d'environ 30 à 600 MHz de sorte qu'un signal de l'axion, Si il y en a un, devrait être clair et net. Le MSA actuellement en service sur ADMX a été fabriqué par Gene Hilton au National Institute of Standards and Technology à Boulder, Colorado, et testé, calibré et conditionné par Sean O'Kelley, un étudiant diplômé du groupe de recherche de Clarke à l'UC Berkeley.
L'équipe ADMX prévoit de régler lentement des millions de fréquences dans l'espoir d'entendre une tonalité claire à partir de photons produits par la désintégration des axions.
"Ce résultat plante un drapeau, " a déclaré Rosenberg. " Il 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."
Clarke a également noté que la haute fréquence, les amplificateurs SQUID quantiques à faible bruit qu'il a inventés pour l'ADMX ont depuis été utilisés dans un autre domaine chaud de la physique, lire les bits quantiques supraconducteurs, ou qubits, pour les ordinateurs quantiques du futur.
