Depuis près d'un siècle, les scientifiques ont travaillé pour percer le mystère de la matière noire - une substance insaisissable qui se propage à travers l'univers et constitue probablement une grande partie de sa masse, mais s'est jusqu'à présent avéré impossible à détecter dans les expériences. Maintenant, une équipe de chercheurs a utilisé une technique innovante appelée « compression quantique » pour accélérer considérablement la recherche d'un candidat pour la matière noire en laboratoire.

Les résultats, publié aujourd'hui dans la revue La nature , centre sur une particule incroyablement légère et encore inconnue appelée l'axion. Selon la théorie, Les axions sont probablement des milliards à des milliards de fois plus petits que les électrons et peuvent avoir été créés pendant le Big Bang en nombre énorme, suffisamment pour expliquer potentiellement l'existence de la matière noire.

Trouver cette particule prometteuse, cependant, C'est un peu comme chercher une seule aiguille quantique dans une très grosse botte de foin.

Il peut y avoir un certain soulagement en vue. Les chercheurs sur un projet appelé, convenablement, l'expérience Haloscope At Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter (HAYSTAC) rapporte qu'ils ont amélioré l'efficacité de leur chasse au-delà d'un obstacle fondamental imposé par les lois de la thermodynamique. Le groupe comprend des scientifiques de JILA, un institut de recherche conjoint de l'Université du Colorado Boulder et du National Institute of Standards and Technology (NIST).

"C'est un doublement de la vitesse par rapport à ce que nous pouvions faire avant, " a déclaré Kelly Backes, l'un des deux auteurs principaux du nouvel article et un étudiant diplômé de l'Université de Yale.

La nouvelle approche permet aux chercheurs de mieux séparer les signaux incroyablement faibles des axions possibles du bruit aléatoire qui existe à des échelles extrêmement petites dans la nature, parfois appelées « fluctuations quantiques ». Les chances de l'équipe de trouver l'axion au cours des prochaines années sont toujours aussi probables que de gagner à la loterie, a déclaré le co-auteur de l'étude Konrad Lehnert, un membre du NIST au JILA. Mais ces chances ne feront que s'améliorer.

"Une fois que vous avez un moyen de contourner les fluctuations quantiques, votre chemin peut juste être fait de mieux en mieux, " dit Lehnert, également professeur adjoint au département de physique de CU Boulder.

HAYSTAC est dirigé par Yale et est un partenariat avec JILA et l'Université de Californie, Berkeley.

Lois quantiques

Daniel Palken, le co-premier auteur du nouvel article, a expliqué que ce qui rend l'axion si difficile à trouver, c'est aussi ce qui en fait un candidat idéal pour la matière noire - il est léger, ne porte aucune charge électrique et n'interagit presque jamais avec la matière normale.

"Ils n'ont aucune des propriétés qui rendent une particule facile à détecter, " dit Palken, qui a obtenu son doctorat. de JILA en 2020

Mais il y a un côté positif :si les axions traversent un champ magnétique suffisamment puissant, un petit nombre d'entre eux peuvent se transformer en ondes lumineuses, et c'est quelque chose que les scientifiques peuvent détecter. Les chercheurs ont lancé des efforts pour trouver ces signaux dans de puissants champs magnétiques dans l'espace. L'expérience HAYSTAC, cependant, garde les pieds sur Terre.

Le projet, qui a publié ses premiers résultats en 2017, utilise une installation ultra-froide sur le campus de Yale pour créer de puissants champs magnétiques, puis essayez de détecter le signal des axions se transformant en lumière. Ce n'est pas une recherche facile. Les scientifiques ont prédit que les axions pourraient présenter une gamme extrêmement large de masses théoriques, dont chacun produirait un signal à une fréquence de lumière différente dans une expérience comme HAYSTAC. Pour trouver la vraie particule, alors, l'équipe peut avoir à parcourir un large éventail de possibilités, comme régler une radio pour en trouver un seul, station faible.

"Si vous essayez d'explorer ces signaux vraiment faibles, cela pourrait finir par vous prendre des milliers d'années, " a déclaré Palken.

Certains des plus grands obstacles auxquels l'équipe est confrontée sont les lois de la mécanique quantique elles-mêmes, à savoir, le principe d'incertitude de Heisenberg, ce qui limite la précision des scientifiques dans leurs observations de particules. Dans ce cas, l'équipe ne peut pas mesurer avec précision deux propriétés différentes de la lumière produite par les axions en même temps.

L'équipe HAYSTAC, cependant, a atterri sur un moyen de contourner ces lois immuables.

Incertitudes changeantes

L'astuce consiste à utiliser un outil appelé amplificateur paramétrique Josephson. Les scientifiques de JILA ont développé un moyen d'utiliser ces petits appareils pour « presser » la lumière qu'ils recevaient de l'expérience HAYSTAC.

Palken a expliqué que l'équipe HAYSTAC n'a pas besoin de détecter les deux propriétés des ondes lumineuses entrantes avec précision, juste l'une d'entre elles. La compression profite de cela en déplaçant les incertitudes des mesures d'une de ces variables à une autre.

"La compression n'est que notre façon de manipuler le vide de la mécanique quantique pour nous mettre en mesure de très bien mesurer une variable, " dit Palken. " Si nous essayions de mesurer l'autre variable, nous trouverions que nous aurions très peu de précision.

Pour tester la méthode, les chercheurs ont effectué un essai à Yale pour rechercher la particule sur une certaine plage de masses. Ils ne l'ont pas trouvé, mais l'expérience a pris la moitié du temps qu'elle le ferait habituellement, dit Backes.

« Nous avons effectué une analyse de données de 100 jours, " dit-elle. " Normalement, ce document nous aurait pris 200 jours pour terminer, nous avons donc économisé un tiers d'année, ce qui est assez incroyable."

Lehnert a ajouté que le groupe est impatient de repousser ces limites encore plus loin en proposant de nouvelles façons de creuser pour cette aiguille toujours insaisissable.

"Il reste beaucoup de viande sur l'os juste pour que l'idée fonctionne mieux, " il a dit.