Chercheurs de l'Université du Delaware, L'Université de l'Arizona et le Haverford College ont récemment introduit l'idée de rechercher de la matière noire scalaire à l'aide de résonateurs acoustiques compacts. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , démontre théoriquement le potentiel des systèmes mécaniques dans la recherche de la matière noire.

"En tant que théoricien qui a débuté dans le domaine de l'optomécanique en tant qu'étudiant diplômé, Je me suis souvent demandé s'il était possible d'utiliser certains des appareils exquis que mes collègues expérimentateurs développent comme capteurs pour détecter de nouveaux phénomènes physiques, " Swati Singh, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Quand je lis un article sur la façon dont certains types de matière noire peuvent conduire à un signal de contrainte périodique, J'ai fait le lien avec mes précédents travaux sur la détection des ondes gravitationnelles des pulsars. L'objectif de notre récent article était de montrer la promesse d'une gamme beaucoup plus large de dispositifs mécaniques en tant que capteurs de table de matière noire. »

Depuis de nombreuses années maintenant, les physiciens théoriciens ont prédit l'existence de particules qui n'émettent pas, réfléchir ou absorber la lumière, et ne peuvent donc pas être détectés à l'aide des outils traditionnels d'étude de la matière. Alors que de nombreux chercheurs ont tenté de détecter ces particules, connue sous le nom de matière noire, leur nature précise reste inconnue.

"Bien que nous ne sachions pas ce qu'est la matière noire, on peut simplifier la recherche en se concentrant sur des particules théoriquement motivées, " Jack Manley, un autre chercheur impliqué dans l'étude récente, dit Phys.org. "Nous avons choisi de rechercher de la matière noire 'ultra-légère' :des particules qui sont en théorie plus légères que les neutrinos."

Les chercheurs émettent l'hypothèse que la matière noire ultralégère est extrêmement légère, plus léger encore que les neutrinos. Si de telles particules de matière noire existaient, leur densité serait si grande qu'ils seraient mieux considérés comme un fluide qui imprègne la galaxie, produisant une perturbation ondulatoire sur la matière normale.

"L'hypothèse de la matière noire ultralégère est motivée par des scénarios de la théorie des cordes, et de plus, pourrait expliquer certaines divergences déroutantes entre les prédictions de molécules sombres plus prosaïques et la distribution de la matière noire à l'échelle galactique, " Daniel Sourire, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org.

Dans leur étude, Singh, Manley, Grin et leurs collègues ont recherché un type spécifique de particule qui fait osciller la taille des atomes, appelée matière noire scalaire. Cette oscillation serait faible pour un seul atome, pourtant elle peut être amplifiée dans des objets composés de plusieurs atomes. Les objets qui vibrent naturellement en synchronisation avec cette oscillation pourraient amplifier encore plus l'effet, ressemblant à un instrument de musique.

"Un élément clé de notre travail est d'identifier une classe d'objets mécaniques qui vibrent à la fréquence de la matière noire ultralégère et produisent une résonance très propre, " Dalziel Wilson, un autre chercheur qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Nous vous proposons d'écouter ces appareils dans un environnement très calme, environnement cryogénique, utilisant la lumière comme une sorte de microphone."

Les chercheurs souhaitent utiliser des résonateurs acoustiques compacts constitués d'hélium superfluide ou de matériaux monocristallins pour rechercher des candidats à la matière noire scalaire. Leurs prédictions théoriques suggèrent que ces résonateurs pourraient accéder à un large segment d'espace de paramètres précédemment non sondé.

Globalement, la récente étude menée par Singh, Manley, Sourire, Wilson et leurs collègues mettent en évidence le potentiel des systèmes mécaniques de pointe à l'échelle du cm pour détecter la matière noire dans des régimes inexplorés auparavant, avec des masses de particules individuelles allant de 10 ^-48 kg à 10 ^-42 kg. À l'avenir, ces résonateurs pourraient ainsi jouer un rôle crucial dans la recherche de la matière noire, en particulier celle en régime ultra-léger.

"En initiant des collaborations entre l'optique quantique et les communautés de physique des hautes énergies (comme nous l'avons fait en impliquant le physicien des particules Daniel Grin), nous pouvons développer une meilleure compréhension mutuelle de la motivation et des limites des nouveaux détecteurs de matière noire, " a déclaré Singh.

photons sombres, particules supposées être mathématiquement similaires aux photons, sont l'un des candidats vecteurs de matière noire les plus populaires. Bien que ces particules n'aient jamais été observées auparavant, il y a maintenant une quantité substantielle de théorie à leur sujet.

Dans leurs futures études, les chercheurs aimeraient utiliser des résonateurs compacts pour rechercher des photons sombres. Leurs calculs initiaux suggèrent que ces dispositifs mécaniques pourraient établir de nouvelles limites sur la force avec laquelle les photons sombres se coupleraient à la matière normale, mais cela ne peut être confirmé que par des études expérimentales.

"Nous concevons actuellement une expérience pour rechercher de la matière noire vectorielle, qui se couple à la position plutôt qu'à la taille des atomes, " a déclaré Wilson. "Une simple corde ou un résonateur mécanique en forme de tambour serait sensible à ce genre de secousses. De façon intéressante, les efforts pour mesurer le mouvement quantifié de nanocordes et de membranes à l'échelle du cm, dans le domaine de l'optomécanique des cavités, pourrait déjà imposer de nouvelles contraintes à l'existence d'une telle matière noire."

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