Depuis les années 1980, les chercheurs ont mené des expériences à la recherche de particules qui composent la matière noire, une substance invisible qui imprègne notre galaxie et notre univers. A inventé la matière noire parce qu'elle n'émet pas de lumière, cette substance, qui constitue plus de 80% de la matière de notre univers, a été montré à plusieurs reprises pour influencer la matière ordinaire par sa gravité. Les scientifiques savent qu'il existe, mais ne savent pas ce que c'est.

Alors les chercheurs de Caltech, dirigé par Kathryn Zurek, professeur de physique théorique, sont retournés à la planche à dessin pour réfléchir à de nouvelles idées. Ils ont étudié la possibilité que la matière noire soit composée de particules du "secteur caché", qui sont plus légères que les particules proposées précédemment, et pourrait, en théorie, être trouvé en utilisant petit, appareils de table souterrains. En revanche, les scientifiques recherchent des candidats à la matière noire plus lourde appelés WIMP (particules massives à interaction faible) en utilisant des expériences à grande échelle telles que XENON, qui est installé sous terre dans un 70, Réservoir d'eau de 000 gallons en Italie.

"La matière noire coule toujours à travers nous, même dans cette pièce" dit Zurek, qui a proposé pour la première fois des particules de secteur caché il y a plus de dix ans. "Alors que nous nous déplaçons autour du centre de la galaxie, ce vent constant de matière noire passe la plupart du temps inaperçu. Mais nous pouvons toujours profiter de cette source de matière noire, et concevoir de nouvelles façons de rechercher des interactions rares entre le vent de matière noire et le détecteur."

Dans un nouvel article accepté pour publication dans la revue Lettres d'examen physique , les physiciens décrivent comment les particules de matière noire plus légères pourraient être détectées via un type de quasiparticule connu sous le nom de magnon. Une quasiparticule est un phénomène émergent qui se produit lorsqu'un solide se comporte comme s'il contenait des particules interagissant faiblement. Les magnons sont un type de quasiparticule dans laquelle les spins des électrons, qui agissent comme de petits aimants, sont excités collectivement. Dans l'idée des chercheurs d'une expérience sur table, un matériau magnétique cristallisé serait utilisé pour rechercher des signes de magnons excités générés par la matière noire.

"Si les particules de matière noire sont plus légères que le proton, il devient très difficile de détecter leur signal par des moyens conventionnels, " dit l'auteur de l'étude Zhengkang (Kevin) Zhang, un chercheur postdoctoral à Caltech. "Mais, selon de nombreux modèles bien motivés, en particulier ceux impliquant des secteurs cachés, les particules de matière noire peuvent se coupler aux spins des électrons, de telle sorte qu'une fois qu'ils frappent le matériau, ils vont induire des excitations de spin, ou magnons. Si nous réduisons le bruit de fond en refroidissant l'équipement et en le déplaçant sous terre, nous pourrions espérer détecter des magnons générés uniquement par la matière noire et non par la matière ordinaire."

Une telle expérimentation n'est pour l'instant que théorique mais peut éventuellement avoir lieu à l'aide de petits appareils logés sous terre, probablement dans une mine, où les influences extérieures d'autres particules, tels que ceux des rayons cosmiques, peut être minimisé.

Un signe révélateur d'une détection de matière noire dans les expériences sur table serait des modifications du signal qui dépendent de l'heure de la journée. Ceci est dû au fait que les cristaux magnétiques qui seraient utilisés pour détecter la matière noire peuvent être anisotropes, ce qui signifie que les atomes sont naturellement disposés de telle manière qu'ils ont tendance à interagir avec la matière noire plus fortement lorsque la matière noire arrive de certaines directions.

"Alors que la Terre se déplace à travers le halo de matière noire galactique, il sent le vent de matière noire souffler de la direction dans laquelle la planète se déplace. Un détecteur fixé à un certain endroit sur Terre tourne avec la planète, ainsi le vent de matière noire le frappe de différentes directions à différents moments de la journée, dire, parfois d'en haut, parfois de côté, " dit Zhang.

"Au cours de la journée, par exemple, vous pouvez avoir un taux de détection plus élevé lorsque la matière noire vient d'en haut plutôt que de côté. Si tu as vu ça, ce serait assez spectaculaire et une indication très forte que vous voyiez de la matière noire."

Les chercheurs ont d'autres idées sur la façon dont la matière noire peut se révéler, en plus à travers des magnons. Ils ont proposé que les particules de matière noire plus légères puissent être détectées via des photons ainsi qu'avec un autre type de quasiparticule appelé phonon, qui est causée par des vibrations dans un réseau cristallin. Des expériences préliminaires basées sur des photons et des phonons sont en cours à l'UC Berkeley, où l'équipe était basée avant que Zurek ne rejoigne la faculté Caltech en 2019. Les chercheurs disent que l'utilisation de ces multiples stratégies pour rechercher la matière noire est cruciale car elles se complètent et aideraient à confirmer les résultats de l'autre.

"Nous cherchons de nouvelles façons de rechercher la matière noire parce que, étant donné le peu que nous savons sur la matière noire, cela vaut la peine d'envisager toutes les possibilités, " dit Zhang.