Crédit :Braine et al.
La collaboration ADMX, un groupe de chercheurs travaillant dans des universités aux États-Unis et en Europe, a récemment effectué une nouvelle recherche de la matière noire des axions invisibles à l'aide d'un haloscope à cavité et d'un amplificateur paramétrique Josephson à faible bruit. Les haloscopes à cavité sont des instruments sensibles conçus pour détecter et étudier les halos autour des corps lumineux ou d'autres phénomènes physiques. amplificateurs paramétriques Josephson, d'autre part, sont des outils technologiques qui peuvent être utilisés pour manipuler les états quantiques des champs lumineux micro-ondes.
Dans leur récent article, Publié dans Lettres d'examen physique , les chercheurs ont recherché des axions de matière noire dans le halo galactique avec une masse comprise entre 2,81 et 3,31 μeV. Les résultats de cette recherche pourraient aider à écarter les prédictions théoriques antérieures, informant la future recherche de matière noire axionique invisible.
"Notre recherche récente a été motivée par deux mystères différents en physique, les deux seraient résolus avec la détection de la matière noire axionique, " Nick Du, chercheur à l'Université de Washington et co-auteur du récent article, dit Phys.org. "Le premier d'entre eux est le mystère de la matière noire."
Des études de physique antérieures ont montré que ce que nous considérons habituellement comme de la matière ne représente qu'environ 15 % de la masse totale de l'univers. Les 85% restants seraient composés de particules qui n'absorbent pas, émettre ou réfléchir de la lumière, et ne peuvent donc pas être détectés par les techniques traditionnelles d'étude de la matière.
Ce matériau non lumineux, connue sous le nom de matière noire, demeure l'un des plus grands mystères de la physique contemporaine, car les chercheurs ne savent toujours pas s'il existe et de quoi il est fait. Bien qu'il y ait eu d'innombrables recherches de matière noire à l'aide d'une variété d'instruments, ce matériau mystérieux n'a jusqu'à présent jamais été observé ou détecté.
Les chercheurs Chelsea Bartram (à gauche) et Nicole Crisosto (à droite) lors de la recherche de l'axiome de la matière noire. Crédit :Braine et al.
"Une solution possible à ce que pourrait être la matière noire vient d'un autre domaine de la physique, à savoir la physique nucléaire, sous la forme d'un autre mystère connu sous le nom de problème Strong CP, " Du expliqué. " Une solution populaire au problème Strong CP prédit l'existence d'une nouvelle particule connue sous le nom d'axion, et les propriétés de l'axion en font un candidat convaincant pour la matière noire. En regardant axion la matière noire, la collaboration ADMX espère résoudre à la fois le problème Strong CP et le mystère de la nature de la matière noire. "
L'haloscope à cavité utilisé par Du et ses collègues consiste en une cavité résonante placée à l'intérieur d'un grand champ magnétique. Selon les prédictions théoriques, les axions de matière noire dans le halo galactique devraient se coupler au champ magnétique dans la cavité et produire des photons.
Le nombre de photons produits est susceptible d'être très faible, rendant le signal résultant très difficile à détecter. En accordant la cavité résonante à l'intérieur de l'haloscope axionique à la même fréquence que les photons, cependant, le nombre de photons produits par le halo galactique peut être augmenté.
Crédit :Braine et al.
"Dans un sens, notre recherche de matière noire axionique est assez similaire au fonctionnement d'une radio, " Du dit. " Comme la fréquence d'une radio est réglée, on peut capter sur différentes stations de radio. À cet égard, notre expérience est similaire, sauf que nous ne connaissons pas la fréquence de notre radio et que le signal est beaucoup plus faible."
La recherche des axions de matière noire est en cours depuis plusieurs décennies maintenant, et Du et ses collègues ont déjà effectué un certain nombre de ces recherches à l'aide de leur haloscope à cavité. Alors qu'ils étaient jusqu'à présent incapables de détecter les axions invisibles, les résultats de leur récente expérience excluent une gamme de masses d'axions qui étaient auparavant prédites par des modèles théoriques de référence de la matière noire des axions.
"C'est en fait la deuxième fois que notre expérience atteint cette sensibilité à la matière noire des axions, mais cette fois, nous avons triplé la gamme que nous avons couverte dans notre étude précédente, " Du dit. " En réalisant et en développant cette sensibilité, nous avons montré que dans la recherche continue de la matière noire axionique, ADMX représente l'un des meilleurs espoirs pour le trouver."
Crédit :Braine et al.
Les observations recueillies par Du et ses collègues pourraient éclairer les futures recherches d'axions de matière noire, tout en ouvrant la voie à de nouvelles prédictions théoriques. Les chercheurs mènent actuellement une nouvelle recherche de matière noire axionique à des fréquences plus élevées. Si cette recherche est également infructueuse, ils prévoient de continuer à rechercher des axions invisibles à des fréquences encore plus grandes.
"A des fréquences plus élevées, la matière noire d'axion devient plus difficile à détecter, car les cavités conventionnelles que nous utiliserions ne sont plus aussi sensibles aux axions, " Du dit. " Cependant, nous avons déjà des prototypes intéressants en place pour contourner cela, telles que des expériences qui utilisent un réseau à plusieurs cavités pour rechercher la matière noire à axion."
© 2020 Réseau Science X
