Le cylindre bleu dans ce diagramme représente une cavité micro-onde supraconductrice utilisée pour accumuler un signal de matière noire. Le violet est le qubit utilisé pour mesurer l'état de la cavité, 0 ou 1. La valeur fait référence au nombre de photons comptés. Si la matière noire a réussi à déposer un photon dans la cavité, la sortie mesurerait 1. Aucun dépôt de photon ne mesurerait 0. Crédit :Akash Dixit, Université de Chicago
Des scientifiques du Fermi National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Chicago ont démontré une nouvelle technique basée sur la technologie quantique qui fera progresser la recherche de matière noire, la substance invisible qui représente 85% de toute la matière dans l'univers.
La collaboration a développé des versions supraconductrices de dispositifs appelés qubits qui seront capables de détecter les signaux faibles émis par deux types de particules subatomiques hypothétiques qui pourraient résider dans une partie invisible mais omniprésente de l'univers appelée le secteur sombre. L'un s'appelle un axion, un candidat de premier plan à la matière noire. L'autre s'appelle un photon caché, une particule qui interagit éventuellement avec les photons - particules de lumière - de l'univers visible.
La technique désormais démontrée par l'équipe Fermilab-Université de Chicago est 36 fois plus sensible aux particules que la limite quantique, une référence des mesures quantiques classiques, permettre la poursuite des recherches de matière noire 1, 000 fois plus rapide.
Utiliser la lumière pour détecter les particules sombres
Dans la technique, les qubits sont conçus pour détecter les photons qui seraient produits lorsque des particules de matière noire interagissent avec un champ électromagnétique. L'avantage d'utiliser les qubits comme détecteurs au lieu de la technologie conventionnelle réside dans la façon dont ils interagissent avec les photons.
La clé de la sensibilité de la technique est sa capacité à éliminer les lectures faussement positives. Les techniques conventionnelles détruisent les photons qu'elles mesurent. Mais la nouvelle technique peut sonder le photon sans le détruire. Faire des mesures répétées du même photon, au cours de sa durée de vie de 500 microsecondes, fournit une assurance contre les lectures erronées.
" Faire une mesure du photon une fois avec le qubit prend environ 10 microsecondes, nous pouvons donc faire environ 50 mesures répétées du même photon au cours de sa durée de vie, " a déclaré Akash Dixit, doctorant en physique à l'Université de Chicago.
Dixit et ses co-auteurs, dont Aaron Chou du Laboratoire Fermi, décrire leur technique en Lettres d'examen physique .
"Les expériences utilisant des techniques conventionnelles étaient tout simplement loin de ce qu'elles devaient être pour que nous puissions détecter la matière noire des axions de masse plus élevée, " dit Chou. " Le niveau de bruit est beaucoup trop élevé. "
Il existe deux manières de rendre une expérience plus sensible aux subtils indices de la nouvelle physique que recherchent les scientifiques. L'une consiste à amplifier le signal en fabriquant des détecteurs plus grands. Un autre pour réduire les niveaux de bruit qui masquent les signaux cibles. L'équipe Fermilab-Université de Chicago a fait ce dernier.
"C'est un moyen beaucoup plus intelligent et moins cher d'obtenir les mêmes grandes améliorations de sensibilité, " dit Chou. " Maintenant, le niveau du bruit statique a été tellement réduit que vous avez une chance de voir les tout premiers petits tremblements dans vos mesures en raison de la très, très petit signal."
La technique profitera à la recherche de tout candidat à la matière noire car, quand des particules invisibles se transforment en photons, ils peuvent être détectés.
« Là où la méthode conventionnelle peut générer un photon de bruit à chaque mesure, dans notre détecteur, vous obtenez un photon de bruit toutes les mille mesures que vous effectuez, " dit Dixit.
Dixit et ses collègues ont adapté leur technique de celle développée par le physicien atomique Serge Haroche, qui a partagé le prix Nobel de physique 2012 pour son exploit. Chou considère la nouvelle technique comme faisant partie de la progression qui a commencé avec le développement de l'interaction de non-démolition en physique atomique et est maintenant importée dans le domaine des qubits supraconducteurs.
Un qubit (le petit rectangle) est placé sur un substrat de saphir, qui se trouve sur le bout du doigt pour montrer l'échelle. Les scientifiques du Fermilab et de l'Université de Chicago ont utilisé un qubit similaire à celui-ci pour développer une technique qui accélérera la recherche de la matière noire des axions et des photons cachés. Crédit :Reidar Hahn, Laboratoire Fermi
Débusquer les axions et les photons cachés
Les physiciens ont fait peu de progrès dans la détection des axions depuis que leur existence a été proposée il y a plus de 30 ans.
"Nous savons qu'il y a une énorme quantité de masse tout autour de nous qui n'est pas faite de la même matière que vous et moi, " a déclaré Chou. " La nature de la matière noire est un mystère vraiment convaincant que beaucoup d'entre nous essaient de résoudre. "
Les cavités micro-ondes supraconductrices sont vitales pour la nouvelle technique. La cavité utilisée dans l'expérience est faite d'aluminium très pur à 99,9999%. A des températures extrêmement basses, l'aluminium devient supraconducteur, une propriété qui prolonge la longévité des qubits, qui, par nature, sont de courte durée. La cavité supraconductrice permet d'accumuler et de stocker le photon signal. Le qubit, une antenne insérée dans la cavité, mesure ensuite le photon.
"L'avantage que nous obtenons est que, une fois que vous - ou la matière noire - mettez un photon dans la cavité, il est capable de retenir le photon longtemps, " observa Dixit. " Plus la cavité retient le photon longtemps, plus nous devons faire une mesure. "
La même technique peut trouver des photons et des axions cachés; ce dernier nécessitera un champ magnétique élevé pour être détecté.
Si des axions existent, l'expérience actuelle fournit un sur 10, 000 chances qu'il détecte un photon produit par une interaction avec la matière noire.
"Pour améliorer encore notre capacité à détecter un événement aussi rare, la température des photons doit être abaissée, " a déclaré David Schuster, Professeur agrégé de physique à l'Université de Chicago et co-auteur du nouvel article. L'abaissement de la température des photons augmentera encore la sensibilité à tous les candidats à la matière noire, y compris les photons cachés.
Les photons de l'expérience ont été refroidis à une température d'environ 40 millikelvins (moins 459,60 degrés Fahrenheit), juste une touche au-dessus du zéro absolu. Les chercheurs aimeraient descendre aussi bas que la température de fonctionnement de 8 millikelvins (moins 459,66 degrés Fahrenheit). À ce point, l'environnement de recherche de la matière noire serait impeccable, efficacement exempt de photons d'arrière-plan.
« Bien qu'il y ait encore du chemin à parcourir, il y a des raisons d'être optimiste, " dit Schuster, dont le groupe de recherche appliquera la même technologie à l'informatique quantique. "Nous utilisons la science de l'information quantique pour aider la recherche de matière noire, mais le même type de photons d'arrière-plan est également une source d'erreur potentielle pour les calculs quantiques. Cette recherche a donc des utilisations au-delà de la science fondamentale. »
Schuster a déclaré que le projet fournit un bel exemple du type de collaboration qui a du sens entre un laboratoire universitaire et un laboratoire national.
"Notre laboratoire universitaire disposait de la technologie qubit, mais à long terme par nous-mêmes, nous n'étions pas vraiment en mesure de faire une quelconque recherche de matière noire au niveau requis. C'est là que le partenariat national-laboratoire joue un rôle important, " il a dit.
Les retombées de cet effort interdisciplinaire pourraient être énormes.
"Il n'y a tout simplement aucun moyen de faire ces expériences sans les nouvelles techniques que nous avons développées, " dit Chou.
