La recherche de la matière noire s'étend. Et va petit.

Alors que la matière noire abonde dans l'univers, c'est de loin la forme de matière la plus courante, représentant environ 85 % du total de l'univers, il se cache également à la vue de tous. On ne sait pas encore de quoi il est fait, bien que nous puissions assister à son attraction gravitationnelle sur la matière connue.

Particules massives à interaction faible théorisée, ou WIMPs, ont été parmi le casting de suspects probables comprenant de la matière noire, mais ils ne sont pas encore apparus là où les scientifiques les attendaient.

Lancer de nombreux petits filets

Les scientifiques redoublent donc d'efforts en concevant de nouvelles expériences agiles qui peuvent rechercher la matière noire dans des gammes de masse et d'énergie de particules jusqu'alors inexplorées, et en utilisant des méthodes non testées auparavant. La nouvelle approche, plutôt que de compter sur quelques "filets" de grandes expériences pour essayer de piéger un type de matière noire, revient à lancer de nombreux filets plus petits avec des mailles beaucoup plus fines.

La matière noire pourrait être beaucoup plus "légère, " ou plus faible en masse et plus faible en énergie, qu'on ne le pensait auparavant. Il peut être composé d'éléments théoriques, particules ultralégères ondulatoires appelées axions. Il pourrait être peuplé d'un royaume sauvage rempli de nombreuses espèces de particules encore inconnues. Et il se peut qu'il ne soit pas du tout composé de particules.

L'élan a été construit pour les expériences de matière noire de faible masse, ce qui pourrait élargir notre compréhension actuelle de la composition de la matière telle qu'elle est incarnée dans le modèle standard de la physique des particules, a noté Kathryn Zurek, chercheur principal et physicien théoricien au Laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab).

Zurek, qui est également affilié à UC Berkeley, a été un pionnier en proposant des théories de la matière noire de faible masse et des moyens possibles de la détecter.

« Quelles preuves expérimentales avons-nous pour la physique au-delà du modèle standard ? La matière noire est l'une des meilleures, " dit-elle. " Il y a ces idées théoriques qui existent depuis une dizaine d'années, " Zurek a ajouté, et les nouveaux développements technologiques, tels que les nouvelles avancées dans les capteurs quantiques et les matériaux de détection, ont également contribué à donner l'impulsion à de nouvelles expériences.

"Le domaine a mûri et s'est épanoui au cours de la dernière décennie. Il est devenu courant - ce n'est plus la frange, ", a-t-elle déclaré. Les discussions sur la matière noire de faible masse sont passées de petites conférences et ateliers à une composante de la stratégie globale de recherche de matière noire.

Elle a noté que Berkeley Lab et UC Berkeley, avec leur expertise particulière dans les théories de la matière noire, expériences, et R&D de détection et de cible de pointe, sont sur le point d'avoir un impact important dans ce domaine émergent de la chasse à la matière noire.

Les faits saillants du rapport doivent rechercher la matière noire « légère » de faible masse

Les recherches sur la matière noire menées par Zurek et d'autres chercheurs du Berkeley Lab sont mises en évidence dans un rapport du DOE, "Besoins de recherche de base pour de nouvelles initiatives de petits projets de matière noire", basé sur un atelier de physique des hautes énergies d'octobre 2018 sur la matière noire. Zurek et Dan McKinsey, un chercheur principal de la faculté de Berkeley Lab et professeur de physique à l'UC Berkeley, a été co-responsable d'un panel d'ateliers axé sur les techniques de détection directe de la matière noire, et ce panel a contribué au rapport.

Le rapport propose de se concentrer sur des expériences à petite échelle - avec des coûts de projet allant de 2 millions de dollars à 15 millions de dollars - pour rechercher des particules de matière noire qui ont une masse inférieure à celle d'un proton. Les protons sont des particules subatomiques dans chaque noyau atomique qui pèsent chacune environ 1, 850 fois plus qu'un électron.

Ce nouveau, l'effort de recherche de masse inférieure aura "l'objectif primordial de comprendre enfin la nature de la matière noire de l'univers, " indique le rapport.

Dans un effort connexe, le département américain de l'Énergie a sollicité cette année des propositions pour de nouvelles expériences sur la matière noire, avec une date limite du 30 mai, et Berkeley Lab ont participé au processus de proposition, dit McKinsey.

"Berkeley est une Mecque de la matière noire" qui est prête à participer à cette recherche élargie, il a dit. McKinsey a participé à de grandes expériences de détection directe de matière noire, notamment LUX et LUX-ZEPLIN, et travaille également sur des techniques de détection de matière noire de faible masse.

3 priorités dans la recherche élargie

Le rapport met en évidence trois directions de recherche prioritaires majeures dans la recherche de matière noire de faible masse qui "sont nécessaires pour atteindre une large sensibilité et ... pour atteindre différents jalons clés":

1. Créer et détecter des particules de matière noire en dessous de la masse du proton et des forces associées, tirer parti des accélérateurs du DOE qui produisent des faisceaux de particules énergétiques. De telles expériences pourraient potentiellement nous aider à comprendre les origines de la matière noire et à explorer ses interactions avec la matière ordinaire, indique le rapport.

2. Détectez les particules individuelles de matière noire galactique - jusqu'à une masse mesurant environ 1 000 milliards de fois plus petite que celle d'un proton - grâce à des interactions avec des détecteurs ultrasensibles. Le rapport note qu'il existe déjà des zones expérimentales souterraines et des équipements qui pourraient être utilisés à l'appui de ces nouvelles expériences.

3. Détectez les ondes de matière noire galactiques à l'aide de détecteurs ultrasensibles en mettant l'accent sur l'axion dit QCD (chromodynamique quantique). Les progrès de la théorie et de la technologie permettent désormais aux scientifiques de sonder l'existence de ce type de matière noire à base d'axions dans tout le spectre de sa gamme de masse ultralégère attendue, offrant "un aperçu des premiers moments de l'origine de l'univers et des lois de la nature à des énergies et des températures ultra-élevées, " indique le rapport.

Cet axion, s'il existe, pourrait également aider à expliquer les propriétés associées à la force puissante de l'univers, qui est responsable de la cohésion de la plupart des matières - il lie les particules ensemble dans le noyau d'un atome, par exemple.

Les recherches de la forme traditionnelle de la matière noire WIMP ont augmenté en sensibilité d'environ 1, 000 fois au cours de la dernière décennie.

Les scientifiques de Berkeley construisent des prototypes d'expériences

Les chercheurs du Berkeley Lab et de l'UC Berkeley se concentreront dans un premier temps sur les cristaux liquides d'hélium et d'arséniure de gallium en recherchant des interactions de particules de matière noire de faible masse dans des expériences de laboratoire prototypes actuellement en cours de développement à l'UC Berkeley.

"Le développement des matériaux fait aussi partie de l'histoire, et aussi penser à différents types d'excitations" dans les matériaux détecteurs, dit Zurek.

Outre l'hélium liquide et l'arséniure de gallium, les matériaux qui pourraient être utilisés pour détecter les particules de matière noire sont divers, "et les structures qu'ils contiennent vont vous permettre de vous coupler à différents candidats à la matière noire, ", a-t-elle déclaré. "Je pense que la diversité des cibles est extrêmement importante."

Le but de ces expériences, qui devraient commencer dans les prochains mois, est de développer la technologie et les techniques afin qu'elles puissent être étendues pour des expériences souterraines profondes sur d'autres sites qui fourniront une protection supplémentaire contre la pluie naturelle de particules "bruit" pleuvant du soleil et d'autres sources.

McKinsey, qui travaille sur les expériences prototypes à l'UC Berkeley, a déclaré que l'expérience d'hélium liquide là-bas cherchera tout signe de particules de matière noire provoquant un recul nucléaire - un processus par lequel une interaction de particules donne au noyau d'un atome une légère secousse que les chercheurs espèrent pouvoir être amplifiée et détectée.

L'une des expériences cherche à mesurer les excitations des interactions de matière noire qui conduisent à l'évaporation mesurable d'un seul atome d'hélium.

"Si une particule de matière noire se disperse (sur de l'hélium liquide), vous obtenez une goutte d'excitation, " McKinsey a déclaré. "Vous pourriez obtenir des millions d'excitations à la surface, vous obtenez un gros signal de chaleur."

Il a noté que les atomes dans l'hélium liquide et les cristaux d'arséniure de gallium ont des propriétés qui leur permettent de s'allumer ou de « scintiller » dans les interactions entre les particules. Les chercheurs utiliseront dans un premier temps des détecteurs de lumière plus conventionnels, appelés tubes photomultiplicateurs, puis passer à plus sensible, détecteurs de nouvelle génération.

"Essentiellement, au cours de la prochaine année, nous étudierons les signaux lumineux et les signaux thermiques, " a déclaré McKinsey. " Le rapport entre la chaleur et la lumière nous donnera une idée de ce qu'est chaque événement. "

Ces premières investigations détermineront si les techniques testées peuvent être efficaces dans la détection de matière noire de faible masse sur d'autres sites offrant un environnement moins bruyant. "Nous pensons que cela nous permettra de sonder des seuils d'énergie beaucoup plus bas, " il a dit.

De nouvelles idées rendues possibles par une nouvelle technologie

Le rapport note également une grande variété d'autres approches pour la recherche de matière noire de faible masse.

"Il y a des tonnes de différent, technologies cool là-bas" même au-delà de celles couvertes dans le rapport qui utilisent ou proposent différentes façons de trouver de la matière noire de faible masse, dit McKinsey. Certains d'entre eux reposent sur la mesure d'une seule particule de lumière, appelé photon, tandis que d'autres s'appuient sur les signaux d'un seul noyau atomique ou d'un électron, ou une très légère vibration collective dans les atomes connue sous le nom de phonon.

Plutôt que de classer les propositions existantes, le rapport est destiné à « marier la justification scientifique aux possibilités et aux aspects pratiques. Nous sommes motivés parce que nous avons des idées et nous avons la technologie. C'est ce qui est excitant.

Il ajouta, "La physique est l'art du possible."