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    L'horloge atomique avancée fait un meilleur détecteur de matière noire

    Caricature représentant une horloge à la recherche de matière noire. Crédit :Hanacek/NIST

    Les chercheurs du JILA ont utilisé une horloge atomique de pointe pour affiner la recherche de matière noire insaisissable, un exemple de la façon dont les améliorations continuelles des horloges ont une valeur au-delà du chronométrage.

    Les anciennes horloges atomiques fonctionnant à des fréquences micro-ondes ont déjà chassé la matière noire, mais c'est la première fois une horloge plus récente, fonctionnant à des fréquences optiques plus élevées, et un oscillateur ultra-stable pour assurer des ondes lumineuses stables, ont été exploitées pour fixer des limites plus précises à la recherche. La recherche est décrite dans Lettres d'examen physique .

    Les observations astrophysiques montrent que la matière noire constitue la plupart des "trucs" de l'univers, mais jusqu'à présent, elle a échappé à la capture. Les chercheurs du monde entier l'ont recherché sous diverses formes. L'équipe JILA s'est concentrée sur la matière noire ultralégère, qui a en théorie une masse minuscule (beaucoup moins qu'un seul électron) et une longueur d'onde énorme - jusqu'où une particule se propage dans l'espace - qui pourrait être aussi grande que la taille des galaxies naines. Ce type de matière noire serait lié par gravité aux galaxies et donc à la matière ordinaire.

    On s'attend à ce que la matière noire ultralégère crée de minuscules fluctuations dans deux "constantes physiques fondamentales":la masse de l'électron, et la constante de structure fine. L'équipe JILA a utilisé une horloge en réseau de strontium et un maser à hydrogène (une version micro-ondes d'un laser) pour comparer leurs fréquences optiques et micro-ondes bien connues, respectivement, à la fréquence de la lumière résonnant dans une cavité ultra-stable constituée d'un monocristal de silicium pur. Les rapports de fréquence résultants sont sensibles aux variations dans le temps des deux constantes. Les fluctuations relatives des rapports et des constantes peuvent être utilisées comme capteurs pour connecter les modèles cosmologiques de la matière noire aux théories physiques acceptées.

    L'équipe JILA a établi de nouvelles limites sur un plancher pour les fluctuations "normales", au-delà duquel tout signal inhabituel découvert plus tard pourrait être dû à la matière noire. Les chercheurs ont contraint la force de couplage de la matière noire ultralégère à la masse des électrons et la constante de structure fine à être de l'ordre de 10 -5 ou moins, la mesure la plus précise jamais réalisée de cette valeur.

    JILA est géré conjointement par le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l'Université du Colorado Boulder.

    "Personne ne sait réellement à quel niveau de sensibilité vous commencerez à voir de la matière noire dans les mesures de laboratoire, " Jun Ye, membre du NIST/JILA, a déclaré. " Le problème est que la physique telle que nous la connaissons n'est pas tout à fait achevée à ce stade. Nous savons qu'il manque quelque chose, mais nous ne savons pas encore comment y remédier."

    "Nous savons que la matière noire existe à partir d'observations astrophysiques, mais nous ne savons pas comment la matière noire se connecte à la matière ordinaire et les valeurs que nous mesurons, " a ajouté Ye. " Des expériences comme la nôtre nous permettent de tester divers modèles théoriques que les gens ont mis en place pour essayer d'explorer la nature de la matière noire. En fixant des limites de mieux en mieux, nous espérons éliminer certains modèles théoriques incorrects et éventuellement faire une découverte à l'avenir."

    Les scientifiques ne savent pas si la matière noire est constituée de particules ou de champs oscillants affectant les environnements locaux, Vous avez noté. Les expériences JILA sont destinées à détecter l'effet "d'attraction" de la matière noire sur la matière ordinaire et les champs électromagnétiques, il a dit.

    Les horloges atomiques sont des sondes de premier ordre pour la matière noire car elles peuvent détecter des changements dans les constantes fondamentales et améliorent rapidement leur précision, stabilité et fiabilité. La stabilité de la cavité était également un facteur crucial dans les nouvelles mesures. La fréquence de résonance de la lumière dans la cavité dépend de la longueur de la cavité, qui peut être retracé jusqu'au rayon de Bohr (une constante physique égale à la distance entre le noyau et l'électron dans un atome d'hydrogène). Le rayon de Bohr est également lié aux valeurs de la constante de structure fine et de la masse des électrons. Par conséquent, des changements dans la fréquence de résonance par rapport aux fréquences de transition dans les atomes peuvent indiquer des fluctuations de ces constantes causées par la matière noire.

    Les chercheurs ont collecté des données sur le rapport de fréquence strontium/cavité pendant 12 jours avec l'horloge fonctionnant 30% du temps, résultant en un ensemble de données 978, 041 secondes de long. Les données du maser à hydrogène ont duré 33 jours avec le maser fonctionnant 94% du temps, résultant en un 2, 826, Record de 942 secondes. Le rapport de fréquence hydrogène/cavité a fourni une sensibilité utile à la masse d'électrons bien que le maser soit moins stable et produise des signaux plus bruyants que l'horloge au strontium.

    Les chercheurs de la JILA ont collecté les données de recherche de matière noire lors de leur récente démonstration d'une échelle de temps améliorée - un système qui intègre les données de plusieurs horloges atomiques pour produire une seule, signal de chronométrage très précis pour la distribution. Comme les performances des horloges atomiques, les cavités optiques et les échelles de temps s'améliorent à l'avenir, les rapports de fréquence peuvent être réexaminés avec une résolution toujours plus élevée, étendre davantage la portée des recherches de matière noire.

    "Chaque fois que l'on utilise une échelle de temps atomique optique, il y a une chance de fixer une nouvelle limite ou de faire une découverte de la matière noire, " Ye a dit. " Dans le futur, quand on pourra mettre ces nouveaux systèmes en orbite, ce sera le plus grand "télescope" jamais construit pour la recherche de la matière noire."


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