On sait très peu de choses sur la nature exacte de la matière noire. Actuellement, certains des candidats à la matière noire les plus prometteurs sont des particules bosoniques extrêmement légères telles que les axions, des particules de type axion ou même des photons sombres. "Ceux-ci peuvent également être considérés comme un champ classique oscillant à une certaine fréquence. Mais nous ne pouvons pas encore chiffrer cette fréquence - et donc la masse des particules, " explique le professeur Dmitry Budker. " C'est pourquoi dans le programme de recherche CASPEr, nous étudions systématiquement différentes gammes de fréquences à la recherche d'indices de matière noire."

Le groupe de Budker est à la recherche de matière noire à travers l'expérience de précession de spin d'axe cosmique (CASPEr). Le groupe CASPEr mène ses expériences au sein du pôle d'excellence PRISMA+ de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et de l'Institut Helmholtz de Mayence (HIM). CASPEr est un programme de recherche international qui utilise des techniques de résonance magnétique nucléaire pour identifier et analyser la matière noire.

L'équipe CASPEr développe des techniques spéciales de résonance magnétique nucléaire (RMN), chacun cible une gamme de fréquences spécifique et donc une gamme spécifique de masses de particules de matière noire. La RMN repose généralement sur le fait que les spins nucléaires réagissent aux champs magnétiques oscillant à une fréquence de résonance spécifique. La fréquence de résonance est accordée via une seconde, champ magnétique généralement statique. L'idée fondamentale du programme de recherche CASPEr est qu'un champ de matière noire peut influencer les spins nucléaires de la même manière. Alors que la Terre se déplace dans ce champ, les spins nucléaires se comportent comme s'ils subissaient un champ magnétique oscillant, générant ainsi un spectre RMN induit par la matière noire.

Dans les travaux en cours, Le premier auteur Antoine Garcon et ses collègues ont utilisé une technique plus exotique :la RMN à champ zéro à ultra-faible (ZULF). "ZULF RMN fournit un régime où les spins nucléaires interagissent plus fortement les uns avec les autres qu'avec un champ magnétique externe, " dit l'auteur correspondant, le Dr John W. Blanchard. " Afin de rendre les spins sensibles à la matière noire, il suffit d'appliquer un très petit champ magnétique externe, ce qui est beaucoup plus facile à stabiliser."

Par ailleurs, pour la première fois, les chercheurs ont examiné les spectres RMN ZULF de l'acide 13C-formique par rapport aux bandes latérales induites par la matière noire, en utilisant un nouveau schéma d'analyse pour moyenner de manière cohérente des bandes latérales de fréquence arbitraire sur plusieurs mesures.

Cette forme particulière d'analyse de bande latérale a permis aux scientifiques de rechercher la matière noire dans une nouvelle gamme de fréquences. Aucun signal de matière noire n'a été détecté, comme le rapporte l'équipe CASPEr dans la dernière édition de Avancées scientifiques , permettant aux auteurs d'exclure la matière noire ultralégère avec des couplages supérieurs à un seuil particulier. À la fois, ces résultats fournissent une autre pièce du puzzle de la matière noire et complètent les résultats précédents du programme CASPEr rapportés en juin, lorsque les scientifiques ont exploré des fréquences encore plus basses en utilisant une autre méthode RMN spécialisée appelée comagnétométrie.

"Comme un puzzle, nous combinons diverses pièces au sein du programme CASPEr pour affiner davantage la portée de la recherche de matière noire, " affirme Dmitry Budker.

John Blanchard ajoute, "Ce n'est que la première étape. Nous mettons actuellement en œuvre plusieurs modifications très prometteuses pour augmenter la sensibilité de notre expérience."