Les scientifiques du Fermilab exploitent la technologie quantique dans la recherche de matière noire.

Depuis des décennies, les physiciens ont recherché les trucs insaisissables, qui n'émet pas de lumière mais semble constituer la grande majorité de la matière de l'univers. Plusieurs particules théoriques ont été proposées comme candidats à la matière noire, y compris les particules massives à interaction faible (WIMPs) et les axions.

Aaron Chou du Fermilab dirige un consortium multi-institutionnel pour appliquer les techniques de la métrologie quantique au problème de la détection de la matière noire des axions. Le projet, qui rassemble les scientifiques du Fermilab, l'Institut national des normes et de la technologie, l'Université de Chicago, Université du Colorado et Université de Yale, a récemment reçu 2,1 millions de dollars sur deux ans dans le cadre du programme Quantum Information Science-Enabled Discovery (QuantISED) du ministère de l'Énergie, qui cherche à faire progresser la science grâce aux technologies quantiques.

Si les scientifiques réussissent, la découverte pourrait résoudre plusieurs mystères cosmologiques à la fois.

"Ce serait la première fois que quelqu'un trouverait une preuve directe de l'existence de la matière noire, " a déclaré Daniel Bowring du Laboratoire Fermi, dont le travail sur cet effort est soutenu par un DOE Office of Science Early Career Research Award. "À l'heure actuelle, nous déduisons l'existence de la matière noire du comportement des corps astrophysiques. Il y a de très bonnes preuves de l'existence de la matière noire sur la base de ces observations, mais personne n'a encore trouvé de particule."

La recherche d'axions

Trouver un axion résoudrait également un écart en physique des particules appelé le problème CP fort. Les particules et les antiparticules sont "symétriques" les unes par rapport aux autres :elles présentent un comportement d'image miroir en termes de charge électrique et d'autres propriétés.

La force forte – l'une des quatre forces fondamentales de la nature – obéit à la symétrie CP. Mais il n'y a aucune raison, au moins dans le modèle standard de la physique, pourquoi il devrait. L'axion a d'abord été proposé pour expliquer pourquoi.

Trouver un axion est une entreprise délicate, même par rapport à d'autres recherches de matière noire. La masse d'un axion est extrêmement faible, quelque part entre un millionième et un millième d'électronvolt. Par comparaison, on s'attend à ce que la masse d'un WIMP soit entre un billion et un quadrillion de fois plus massive - dans la gamme d'un milliard d'électronvolts - ce qui signifie qu'ils sont suffisamment lourds pour qu'ils puissent occasionnellement produire un signal en heurtant les noyaux d'autres atomes. Pour rechercher des WIMPs, les scientifiques remplissent les détecteurs de xénon liquide (par exemple, dans l'expérience LUX-ZEPLIN sur la matière noire à l'installation de recherche souterraine de Sanford dans le Dakota du Sud) ou des cristaux de germanium (dans l'expérience SuperCDMS Soudan au Minnesota) et rechercher des indices d'une telle collision.

"Vous ne pouvez pas faire ça avec les axions parce qu'ils sont si légers, " a déclaré Bowring. " Ainsi, la façon dont nous recherchons les axions est fondamentalement différente de la façon dont nous recherchons des particules plus massives. "

Lorsqu'un axion rencontre un fort champ magnétique, il devrait, du moins en théorie, produire un seul photon hyperfréquence, une particule de lumière. En détectant ce photon, les scientifiques devraient pouvoir confirmer l'existence des axions. L'expérience Axion Dark Matter (ADMX) à l'Université de Washington et l'expérience HAYSTAC à Yale tentent de faire exactement cela.

Ces expériences utilisent un puissant aimant supraconducteur pour convertir les axions en photons dans une cavité micro-ondes. La cavité peut être réglée sur différentes fréquences de résonance pour renforcer l'interaction entre le champ photonique et les axions. Un récepteur hyperfréquence détecte alors le signal de photons résultant de l'interaction. Le signal passe par un amplificateur, et les scientifiques recherchent ce signal amplifié.

"Mais il y a une limite quantique fondamentale à la qualité d'un amplificateur, " a déclaré Bowring.

Les photons sont omniprésents, ce qui introduit un fort degré de bruit qui doit être filtré du signal détecté dans la cavité hyperfréquence. Et à des fréquences de résonance plus élevées, le rapport signal sur bruit se dégrade progressivement.

Bowring et Chou explorent tous deux comment utiliser la technologie développée pour l'informatique quantique et le traitement de l'information pour contourner ce problème. Au lieu d'amplifier le signal et de le séparer du bruit, ils visent à développer de nouveaux types de détecteurs d'axions qui compteront très précisément les photons, avec des qubits.

L'avantage qubit

Dans un ordinateur quantique, les informations sont stockées en qubits, ou bits quantiques. Un qubit peut être construit à partir d'une seule particule subatomique, comme un électron ou un photon, ou à partir de métamatériaux artificiels tels que des atomes artificiels supraconducteurs. La conception de l'ordinateur tire parti des systèmes quantiques à deux états des particules, comme le spin d'un électron (vers le haut ou vers le bas) ou la polarisation d'un photon (verticale ou horizontale). Et contrairement aux bits informatiques classiques, qui ont l'un des deux états seulement (un ou zéro), les qubits peuvent également exister dans une superposition quantique, une sorte d'addition des deux états quantiques de la particule. Cette fonctionnalité a une myriade d'applications potentielles en informatique quantique que les physiciens commencent tout juste à explorer.

A la recherche des axions, Bowring et Chou utilisent des qubits. Pour qu'un détecteur traditionnel à antenne remarque un photon produit par un axion, il doit absorber le photon, le détruire dans le processus. Un qubit, d'autre part, peut interagir plusieurs fois avec le photon sans l'annihiler. À cause de ce, le détecteur à base de qubit donnera aux scientifiques une chance beaucoup plus élevée de détecter la matière noire.

"La raison pour laquelle nous voulons utiliser la technologie quantique est que la communauté de l'informatique quantique a déjà dû développer ces dispositifs capables de manipuler un seul photon micro-onde, " dit Chou. " Nous faisons un peu la même chose, sauf qu'un seul photon d'information stocké dans ce conteneur n'est pas quelque chose que quelqu'un y a mis dans le cadre du calcul. C'est quelque chose que la matière noire a mis là-dedans."

Réflexion lumineuse

L'utilisation d'un qubit pour détecter un photon produit par un axion apporte son propre ensemble de défis au projet. Dans de nombreux ordinateurs quantiques, les qubits sont stockés dans des cavités en matériaux supraconducteurs. Le supraconducteur a des parois hautement réfléchissantes qui piègent efficacement un photon assez longtemps pour effectuer des calculs avec lui. Mais vous ne pouvez pas utiliser un supraconducteur autour d'aimants puissants comme ceux utilisés dans les expériences de Bowring et Chou.

"Le supraconducteur est juste ruiné par des aimants, " dit Chou. Actuellement, ils utilisent du cuivre comme ersatz de réflecteur.

"Mais le problème, c'est à ces fréquences, le cuivre stockera un seul photon pour seulement 10, 000 rebonds au lieu de, dire, un milliard rebondit sur les miroirs, " a-t-il dit. " Donc, nous ne pouvons pas garder ces photons aussi longtemps avant qu'ils ne soient absorbés. "

Et cela signifie qu'ils ne restent pas assez longtemps pour être captés comme un signal. Les chercheurs en développent donc un autre, meilleur conteneur de photons.

"Nous essayons de faire une cavité avec des cristaux à très faible perte, " dit Chou.

Pensez à une vitre. Alors que la lumière le frappe, des photons vont rebondir dessus, et d'autres passeront. Placez un autre morceau de verre derrière le premier. Certains des photons qui ont traversé le premier rebondiront sur le second, et d'autres passeront à travers les deux morceaux de verre. Ajouter une troisième couche de verre, et un quatrième, etc.

"Même si chaque couche individuelle n'est pas si réfléchissante en elle-même, la somme des reflets de toutes les couches vous donne un assez bon reflet au final, " a déclaré Chou. " Nous voulons fabriquer un matériau qui emprisonne la lumière pendant longtemps. "

Bowring considère l'utilisation de la technologie de l'informatique quantique dans la recherche de la matière noire comme une opportunité de dépasser les frontières qui séparent souvent les différentes disciplines.

"Vous pourriez vous demander pourquoi le Fermilab voudrait s'impliquer dans la technologie quantique s'il s'agit d'un laboratoire de physique des particules, " dit-il. " La réponse est, au moins en partie, que la technologie quantique nous permet de mieux faire la physique des particules. Il est logique d'abaisser ces barrières."