Les horloges optiques sont si précises qu'il faudrait environ 20 milliards d'années, soit plus que l'âge de l'univers, pour perdre ou gagner une seconde. Maintenant, des chercheurs aux États-Unis dirigés par le groupe de Jun Ye au National Institute of Standards and Technology et à l'Université du Colorado ont exploité la précision et l'exactitude de leur horloge optique et la stabilité sans précédent de leur cavité optique en silicium cristallin pour resserrer les contraintes sur tout couplage possible entre les particules et les champs dans le modèle standard de la physique et les composants jusqu'ici insaisissables de la matière noire.

L'existence de la matière noire est indirectement évidente à partir des effets gravitationnels aux échelles galactiques et cosmologiques, mais au delà, sa nature est peu connue. L'un des effets qui ressort de l'analyse théorique du couplage de la matière noire aux particules dans le modèle standard de la physique est une oscillation résultante des constantes fondamentales. Ye et ses collaborateurs ont pensé que si leur équipement de métrologie de classe mondiale ne pouvait pas détecter ces oscillations, alors ce résultat apparemment nul serait une confirmation utile que la force des interactions de la matière noire avec les particules dans le modèle standard de la physique doit être encore plus faible que celle dictée par les contraintes enregistrées jusqu'à présent.

Cadencement des valeurs constantes fondamentales

Les tentatives précédentes pour identifier des preuves directes de la matière noire vont d'expériences en laboratoire à d'énormes projets de collisionneur de particules, comme celles du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Beaucoup de ces efforts ont cherché des interactions avec, par exemple, les particules massives à interaction faible (WIMPs), qui ont des masses similaires à un atome d'argent dans la gamme de 100 GeV, ou axions - une particule hypothétique destinée à expliquer des éléments de la physique des particules, et qui pourraient correspondre aux théories de la matière noire. Cependant, Ye et ses collaborateurs ont utilisé leurs dispositifs d'horloge optique et de cavité pour se rendre compte des interactions possibles entre la matière noire et les particules à l'extrémité inférieure du spectre de masse bien en dessous de 1 eV, qui est 500, 000 fois plus petite que la masse d'un électron au repos.

Les horloges optiques sont un type d'horloge atomique. Les premières horloges atomiques ont exploité les transitions hyperfines dans les atomes de césium 133 - lorsque les électrons de l'atome de césium 133 tournent, le changement résultant de l'énergie de l'état de l'atome est émis sous forme de rayonnement électromagnétique avec une fréquence caractéristique dans la gamme des micro-ondes. Cependant, les transitions entre les orbitales électroniques dans les atomes de strontium conduisent à des changements d'énergie avec une fréquence correspondante beaucoup plus élevée dans la gamme optique, et maintenant que la technologie a été développée pour mesurer ces transitions, un chronométrage encore plus précis est possible. De plus, la fréquence des horloges optiques est directement liée à certaines constantes fondamentales, fournissant un moyen de mesurer les variations potentielles de ces quantités avec une précision sans précédent.

Ye et ses collaborateurs ont utilisé leur horloge optique pour rechercher toute variation de la constante fondamentale , la constante de structure fine, qui définit la force des interactions entre les particules chargées et les photons. À cette fin, ils ont comparé la fréquence des atomes de strontium utilisés dans l'horloge optique avec leur cavité en silicium cristallin, un dispositif utilisé dans les lasers qui permet aux ondes électromagnétiques de rebondir entre des surfaces réfléchissantes opposées et de créer une onde stationnaire avec une fréquence caractéristique déterminée par la longueur de la cavité. La fréquence des deux appareils est définie en termes de et m e (autre constante fondamentale qui donne la masse de l'électron) mais avec des dépendances différentes, de sorte que le rapport entre les deux fréquences révèle d'éventuelles variations de la constante .

"Les gens ont utilisé des horloges atomiques à des fréquences micro-ondes pour contraindre les limites des forces de couplage de la matière noire, mais ce travail représenterait les premiers résultats sur l'utilisation des horloges atomiques optiques pour fournir des contraintes sur la signature oscillatoire de la matière noire, " dit Ye.

En plus de comparer la fréquence de la cavité avec les atomes de l'horloge, les chercheurs l'ont comparée à la fréquence d'un maser à hydrogène, un étalon de fréquence micro-ondes qui génère un rayonnement basé sur des transitions entre différents états de spin électronique et nucléaire dans l'atome d'hydrogène. Bien que le maser à hydrogène ne fournisse pas un chronométrage aussi précis que l'horloge optique à base de strontium, les transitions énergétiques sur lesquelles il est basé conduisent à une relation différente entre la fréquence et les constantes et m e, tel que le rapport de sa fréquence avec celle de la cavité en silicium cristallin fournit une sonde pour les variations de la valeur de m e , également. Alors que les oscillations de la valeur de indiqueraient des interactions entre la matière noire et les champs électromagnétiques, oscillations en m e révélerait des interactions avec la masse d'électrons.

Les rapports de fréquence mesurés entre la cavité et à la fois l'horloge optique et le maser à hydrogène tirent également parti d'un autre avantage crucial :la stabilité de la cavité en silicium cristallin. "La plupart des cavités sont faites de verre qui est un désordre, solide amorphe qui a beaucoup de dérive dimensionnelle et d'instabilité, " explique Colin Kennedy, un chercheur du groupe de Ye et premier auteur dans le rapport de ces résultats, mettant en évidence l'avantage d'utiliser une cavité constituée d'un grand monocristal de silicium. "Cette nouvelle génération de cavités est constituée de monocristaux de silicium et est également maintenue à des températures cryogéniques, les rendant des ordres de grandeur plus stables. C'est le principal avantage de notre travail."

Se refermer sur la matière noire

Alors que (comme prévu) les chercheurs n'ont pas observé d'oscillations dans les constantes fondamentales dues aux interactions avec la matière noire, leurs données ont réduit l'éventail des valeurs possibles que les paramètres de cette interaction pouvaient avoir. Pour les particules de matière noire avec des masses comprises entre 4,5 × 10 ⁻¹⁶ jusqu'à 1 × 10 ⁻¹⁹ eV, la force possible des interactions de matière noire définie par est limitée par un facteur supplémentaire allant jusqu'à cinq par ces résultats, et ceux définis par m e sont contraints jusqu'à un facteur 100 pour des masses comprises entre 2 × 10 ⁻¹⁹ et 2 × 10 ⁻²¹ eV.

"L'idée d'utiliser une fréquence de résonance de cavité optique pour comparer avec une fréquence atomique a d'abord été proposée dans un échange de courrier électronique entre moi-même et le professeur Victor Flambaum, " Ye dit à phys.org, rappelant leur échange autour de 2015. Alors que Flambaum rédige très rapidement un papier décrivant les idées de base dont ils ont discuté, Ye dit qu'il "voulait voir les résultats expérimentaux. Et nous y sommes."

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