Découvrir comment étendre la recherche de particules de matière noire – la matière noire décrit la substance qui constitue environ 85 % de la masse totale de l'univers, mais n'a jusqu'à présent été mesurée que par ses effets gravitationnels – c'est un peu comme construire un meilleur piège à souris… c'est-à-dire une souricière pour une souris que vous n'avez jamais vue, ne verra jamais directement, peut être rejoint par un étrange assortiment d'autres souris, ou peut-être pas une souris après tout.

Maintenant, grâce à un nouveau programme de recherche soutenu par l'Office of High Energy Physics (HEP) du département américain de l'Énergie, un consortium de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du DOE, UC Berkeley, et l'Université du Massachusetts Amherst développera des capteurs qui utiliseront les propriétés apparemment étranges de la physique quantique pour sonder les particules de matière noire de nouvelles manières, avec une sensibilité accrue, et dans des régions inconnues. Maurice Garcia-Scivères, un physicien du Berkeley Lab, dirige ce consortium Quantum Sensors HEP-Quantum Information Science (QIS).

Les technologies quantiques apparaissent comme des alternatives prometteuses aux "pièges à souris" plus conventionnels que les chercheurs utilisaient auparavant pour traquer les particules insaisissables. Et le DOE, par le même bureau HEP, soutient également une série d'autres efforts de recherche dirigés par des scientifiques du Berkeley Lab qui puisent dans la théorie quantique, Propriétés, et technologies dans le domaine QIS.

Ces efforts comprennent :

• Démêler la structure quantique de la chromodynamique quantique dans les générateurs Monte Carlo de la douche Parton - Cet effort développera des programmes informatiques qui testent les interactions entre les particules fondamentales dans les moindres détails. Les simulations informatiques actuelles sont limitées par les algorithmes classiques, bien que les algorithmes quantiques puissent modéliser plus précisément ces interactions et fournir un meilleur moyen de comparer et de comprendre les événements de particules mesurés au Grand collisionneur de hadrons du CERN, collisionneur de particules le plus puissant au monde. Christian Bauer du Berkeley Lab, un chercheur scientifique principal, dirigera cet effort.
• Reconnaissance de modèle quantique (QPR) pour la physique des hautes énergies - Des accélérateurs de particules de plus en plus puissants nécessitent des algorithmes informatiques beaucoup plus rapides pour surveiller et trier des milliards d'événements de particules par seconde, et cet effort développera et étudiera le potentiel des algorithmes quantiques pour la reconnaissance de formes afin de reconstruire des particules chargées. De tels algorithmes ont le potentiel pour des améliorations de vitesse significatives et une précision accrue. Dirigé par la physicienne du Berkeley Lab et membre de la division Heather Gray, cet effort impliquera une expertise en physique des hautes énergies et en calcul haute performance au sein de la division de physique du Berkeley Lab et au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique du laboratoire, une installation utilisateur du DOE Office of Science, et aussi à UC Berkeley.
• Skipper-CCD, un nouveau capteur monophotonique pour l'imagerie quantique – Depuis six ans, Le Berkeley Lab et le Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) ont collaboré au développement d'un détecteur pour des expériences d'astrophysique capable de détecter la plus petite unité individuelle de lumière, connu sous le nom de photon. Ce détecteur Skipper-CCD a été démontré avec succès à l'été 2017 avec un bruit incroyablement faible qui a permis la détection même d'électrons individuels. Comme prochaine étape, cet effort mené par Fermilab cherchera à imager des paires de photons qui existent dans un état d'intrication quantique, ce qui signifie que leurs propriétés sont intrinsèquement liées - même sur de longues distances - de sorte que la mesure de l'une des particules définit nécessairement les propriétés de l'autre. Steve Hollande, un scientifique senior et ingénieur au Berkeley Lab qui est un pionnier dans le développement de détecteurs au silicium haute performance pour une gamme d'utilisations, dirige la participation de Berkeley Lab à ce projet.
• Géométrie et flux d'informations quantiques :de la gravité quantique à la technologie quantique - Cet effort développera des algorithmes et des simulations quantiques pour les propriétés, y compris la correction d'erreurs et le brouillage des informations, qui sont pertinentes aux théories des trous noirs et à l'informatique quantique impliquant des réseaux hautement connectés de qubits supraconducteurs - les unités de base d'un ordinateur quantique. Les chercheurs les compareront également avec des méthodes plus classiques. UC Berkeley dirige ce programme de recherche, et Irfan Siddiqi, un scientifique de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et directeur fondateur du Center for Quantum Coherent Science de l'UC Berkeley, dirige l'implication de Berkeley Lab.
• Siddiqi dirige également un programme de recherche distinct, Contrôle quantique basé sur un réseau de portes programmable sur le terrain pour des simulations de physique des hautes énergies avec Qutrits, qui développera des outils spécialisés et des familles logiques pour l'informatique quantique axée sur la physique des hautes énergies. Cet effort implique la division Technologie des accélérateurs et physique appliquée de Berkeley Lab.

Ces projets font également partie de Berkeley Quantum, un partenariat qui exploite l'expertise et les installations du Berkeley Lab et de l'UC Berkeley pour faire progresser les capacités quantiques américaines en menant des recherches fondamentales, fabriquer et tester des dispositifs et des technologies quantiques, et former la prochaine génération de chercheurs.

Aussi, dans plusieurs de ses bureaux, le DOE a annoncé son soutien à une vague d'autres efforts de R&D qui favoriseront l'innovation collaborative en science de l'information quantique au Berkeley Lab, dans d'autres laboratoires nationaux, et dans les établissements partenaires.

Au laboratoire de Berkeley, la plus grande entreprise liée au QIS financée par HEP inclura une équipe multidisciplinaire dans le développement et la démonstration de capteurs quantiques pour rechercher des particules de matière noire de très faible masse – ce qu'on appelle la « matière noire claire » – en instrumentant deux détecteurs différents.

L'un de ces détecteurs utilisera de l'hélium liquide à très basse température où des phénomènes par ailleurs familiers tels que la chaleur et la conductivité thermique affichent un comportement quantique. L'autre détecteur utilisera des cristaux d'arséniure de gallium spécialement fabriqués (voir un article connexe), également refroidi à des températures cryogéniques. Les idées sur la façon dont ces expériences peuvent rechercher de la matière noire très légère sont nées des travaux théoriques du laboratoire de Berkeley.

"Il y a beaucoup de territoires inexplorés dans la matière noire de faible masse, " a déclaré Nathalie Roe, directeur de la division de physique au Berkeley Lab et chercheur principal pour les efforts quantiques liés au HEP du laboratoire. « Nous avons tous les éléments pour assembler cela :en théorie, expériences, et détecteurs."

Garcia-Scivères, qui dirige l'effort d'application de capteurs quantiques à la recherche de matière noire de faible masse, a noté que d'autres efforts majeurs - tels que l'expérience LUX-ZEPLIN (LZ) dirigée par Berkeley Lab qui prend forme dans le Dakota du Sud - aideront à déterminer si des particules de matière noire connues sous le nom de WIMP (particules massives à interaction faible) existent avec des masses comparables à celui des atomes. Mais LZ et les expériences similaires ne sont pas conçues pour détecter des particules de matière noire de masses beaucoup plus faibles.

"Les expériences traditionnelles sur la matière noire de WIMP n'ont encore rien trouvé, " Il a dit. " Et il y a beaucoup de travaux théoriques sur des modèles qui favorisent les particules d'une masse inférieure à ce que des expériences comme LZ peuvent mesurer, " a-t-il ajouté. " Cela a motivé les gens à vraiment examiner comment vous pouvez détecter les particules de très faible masse. Ce n'est pas si facile. C'est un très petit signal qui doit être détecté sans aucun bruit de fond."

Les chercheurs espèrent développer des capteurs quantiques qui filtrent mieux le bruit des signaux indésirables. Alors qu'une expérience WIMP traditionnelle est conçue pour détecter le recul d'un noyau atomique entier après qu'il ait été « botté » par une particule de matière noire, les particules de matière noire de très faible masse rebondiront directement sur les noyaux sans les affecter, comme une puce rebondissant sur un éléphant.

Le but du nouvel effort est de détecter les particules de faible masse via leur transfert d'énergie sous forme de vibrations quantiques très faibles, qui portent des noms comme "phonons" ou "rotons, " par exemple, dit Garcia-Scivères.

"Vous ne seriez jamais capable de dire qu'une puce invisible frappe un éléphant en observant l'éléphant. Mais que se passerait-il si chaque fois qu'une puce invisible frappe un éléphant à une extrémité du troupeau, une puce visible est projetée loin d'un éléphant à l'autre bout du troupeau ?", a-t-il déclaré.

"Vous pourriez utiliser ces capteurs pour surveiller de si faibles signaux dans un cristal très froid ou de l'hélium superfluide, où une particule de matière noire entrante est comme la puce invisible, et la puce visible sortante est une vibration quantique qui doit être détectée."

La communauté de la physique des particules a organisé des ateliers pour réfléchir aux possibilités de détection de matière noire de faible masse. "C'est un nouveau régime. C'est un domaine où il n'y a même pas encore de mesures. Il y a une promesse que les techniques QIS peuvent nous aider à nous donner plus de sensibilité aux petits signaux que nous recherchons, " ajouta Garcia-Sciveres. " Voyons si c'est vrai. "

Les détecteurs de démonstration auront chacun environ 1 centimètre cube de matériau de détection. Dan McKinsey, un chercheur principal de la faculté de Berkeley Lab et professeur de physique à l'UC Berkeley qui est responsable du développement du détecteur d'hélium liquide, a déclaré que les détecteurs seront construits sur le campus de l'UC Berkeley. Les deux sont conçus pour être sensibles aux particules d'une masse plus légère que les protons - les particules chargées positivement qui résident dans les noyaux atomiques.

Le détecteur d'hélium superfluide utilisera un processus appelé "évaporation quantique, " dans lequel les rotons et les phonons provoquent l'évaporation d'atomes d'hélium individuels de la surface de l'hélium superfluide.

Catherine Zurek, un physicien du Berkeley Lab et théoricien pionnier dans la recherche de particules de matière noire de très faible masse qui travaille sur le projet de capteur quantique, a déclaré que la technologie permettant de détecter de tels "chuchotements" de matière noire n'existait pas il y a seulement une décennie, mais "a fait des progrès majeurs au cours des dernières années". Elle a également noté, "Il y avait eu pas mal de scepticisme quant à la réalisme de la recherche de cette matière noire de masse légère, mais la communauté s'est déplacée plus largement dans cette direction."

Il existe de nombreuses synergies dans l'expertise et les capacités qui se sont développées à la fois au Berkeley Lab et sur le campus de l'UC Berkeley qui en font un bon moment - et le bon endroit - pour développer et appliquer des technologies quantiques à la chasse à la matière noire, dit Zurek.

Les théories développées au Berkeley Lab suggèrent que certains matériaux exotiques présentent des états ou "modes" quantiques auxquels les particules de matière noire de faible masse peuvent se coupler, ce qui rendrait les particules détectables - comme la "puce visible" référencée ci-dessus.

"Ces idées sont la motivation pour construire ces expériences pour rechercher de la matière noire légère, " a déclaré Zurek. " Il s'agit d'une approche large et multidimensionnelle, et l'idée est que ce sera un tremplin vers un effort plus important."

Le nouveau projet s'appuiera sur une expérience approfondie dans la construction d'autres types de détecteurs de particules, et la R&D sur les capteurs ultrasensibles qui fonctionnent au seuil où un matériau électriquement conducteur devient supraconducteur – le « point de basculement » sensible à la moindre fluctuation. Des versions de ces capteurs sont déjà utilisées pour rechercher de légères variations de température dans la lumière micro-onde relique qui traverse l'univers.

A la fin de la manifestation de trois ans, les chercheurs pourraient peut-être se tourner vers des types plus exotiques de matériaux de détection dans des volumes plus importants.

« Je suis ravi de voir ce programme progresser, et je pense que cela deviendra une direction de recherche importante dans la division de physique du Berkeley Lab, " elle a dit, ajoutant que le programme pourrait également démontrer des détecteurs ultrasensibles qui ont des applications dans d'autres domaines de la science.