Les chercheurs ont conçu un moyen de donner aux longs bras tunnel des observatoires à ondes gravitationnelles comme KAGRA au Japon la capacité de détecter potentiellement également la matière noire axionique. Crédit : Institut de recherche sur les rayons cosmiques de l'Université de Tokyo
La matière noire n'est connue que par son effet sur les corps astronomiques massifs, mais n'a pas encore été directement observé ou même identifié. Une théorie sur ce que pourrait être la matière noire suggère qu'il pourrait s'agir d'une particule appelée axion et que celles-ci pourraient être détectables avec des expériences au laser qui existent déjà. Ces expériences laser sont des observatoires d'ondes gravitationnelles.
La chasse à la matière noire est ouverte. Il existe de nombreuses théories sur ce que cela pourrait être, mais de nombreux physiciens pensent que la matière noire est une particule massive à interaction faible, ou WIMP. Cela signifie qu'il n'interagit pas facilement avec la matière ordinaire. Nous savons que cela est vrai parce que cela n'a pas encore été vu directement. Mais il doit aussi avoir au moins une certaine masse car sa présence peut être déduite par son attraction gravitationnelle.
Il y a eu d'énormes efforts pour détecter la matière noire WIMP, notamment avec le Large Hadron Collider en Suisse, mais les WIMPs n'ont pas encore été observés. L'axion est une autre particule candidate qui attire l'attention.
"Nous supposons que l'axion est très léger et interagit à peine avec nos types de matière familiers. Par conséquent, il est considéré comme un bon candidat pour la matière noire, " a déclaré le professeur adjoint Yuta Michimura du Département de physique de l'Université de Tokyo. " Nous ne connaissons pas la masse des axions, mais nous pensons généralement qu'il a une masse inférieure à celle des électrons. Notre univers est rempli de matière noire et on estime qu'il y a 500 grammes de matière noire dans la Terre, à propos de la masse d'un écureuil."
Un schéma de l'instrument proposé pour chasser la matière noire axionique. Le projet est en cours à l'Institut de recherche sur les rayons cosmiques de l'Université de Tokyo. Crédit : 2019 Nagano et al
Les axions semblent être un bon candidat pour la matière noire, mais comme ils ne peuvent interagir que très faiblement avec la matière ordinaire, ils sont extraordinairement difficiles à détecter. Les physiciens imaginent donc des moyens de plus en plus complexes de compenser ce manque d'interaction dans l'espoir de révéler la signature révélatrice de la matière noire, qui représente plus d'un quart de l'univers visible.
"Nos modèles suggèrent que la matière noire des axions module la polarisation de la lumière, qui est l'orientation de l'oscillation des ondes électromagnétiques, " a expliqué Koji Nagano, un étudiant diplômé de l'Institut de recherche sur les rayons cosmiques de l'Université de Tokyo. "Cette modulation de polarisation peut être améliorée si la lumière est réfléchie plusieurs fois dans une cavité optique composée de deux miroirs parallèles séparés l'un de l'autre. Les exemples les plus connus de ces types de cavités sont les longs bras tunnel des ondes gravitationnelles. observatoires."
La recherche sur la matière noire ne reçoit pas autant d'attention ou de financement que d'autres domaines de recherche scientifique plus applicables, de grands efforts sont donc déployés pour trouver des moyens de rendre la chasse rentable. Ceci est pertinent car d'autres façons théoriques d'observer les axions impliquent des champs magnétiques extrêmement puissants qui entraînent des dépenses importantes. Ici, les chercheurs suggèrent que les observatoires d'ondes gravitationnelles existants tels que le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) aux États-Unis, La Vierge en Italie ou KAGRA au Japon pourraient être modifiées à moindre coût pour chasser les axions sans nuire à leurs fonctions existantes.
Ce graphique compare la sensibilité des détecteurs d'ondes gravitationnelles adaptés à la chasse à l'axion. Le projet est en cours à l'Institut de recherche sur les rayons cosmiques de l'Université de Tokyo. Crédit :Nagano et al
"Avec notre nouveau schéma, nous pourrions rechercher des axions en ajoutant des optiques de polarisation devant des capteurs à photodiodes dans des détecteurs d'ondes gravitationnelles, " a décrit Michimura. " La prochaine étape que j'aimerais voir est la mise en œuvre de l'optique dans un détecteur d'ondes gravitationnelles comme KAGRA. "
Cette idée est prometteuse car les améliorations apportées aux installations d'ondes gravitationnelles ne réduiraient pas la sensibilité sur laquelle elles reposent pour leur fonction principale, qui consiste à détecter des ondes gravitationnelles distantes. Des tentatives ont été faites avec des expériences et des observations pour trouver l'axion, mais jusqu'à présent, aucun signal positif n'a été trouvé. La méthode proposée par les chercheurs serait beaucoup plus précise.
"Il existe des preuves astrophysiques et cosmologiques accablantes que la matière noire existe, mais la question « Qu'est-ce que la matière noire ? est l'un des plus grands problèmes en suspens de la physique moderne, " dit Nagano. " Si nous pouvons détecter les axions et dire avec certitude qu'ils sont de la matière noire, ce serait vraiment un événement vraiment excitant. C'est ce dont rêvent les physiciens comme nous. »
