Les scientifiques sont certains que la matière noire existe. Encore, après plus de 50 ans de recherche, ils n'ont toujours aucune preuve directe de la substance mystérieuse.

Swati Singh de l'Université du Delaware fait partie d'un petit groupe de chercheurs de la communauté de la matière noire qui ont commencé à se demander s'ils cherchaient le bon type de matière noire.

« Et si la matière noire était beaucoup plus légère que ce que recherchent les expériences traditionnelles de physique des particules ? » dit Singh, professeur assistant en génie électrique et informatique à l'UD.

Maintenant, Singh, Jack Manley, un doctorant UD, et des collaborateurs de l'Université de l'Arizona et du Haverford College ont proposé une nouvelle façon de rechercher les particules qui pourraient constituer la matière noire en réutilisant la technologie existante des capteurs de table. L'équipe a récemment rapporté son approche dans un article publié dans Lettres d'examen physique .

Les co-auteurs de l'article incluent Dalziel Wilson, un professeur adjoint de sciences optiques de l'Arizona, Mitul Dey Chowdhury, un doctorant de l'Arizona, et Daniel Sourire, professeur adjoint de physique au Haverford College.

Pas d'affaire ordinaire

Singh a expliqué que si vous additionnez toutes les choses qui émettent de la lumière, comme les étoiles, planètes et gaz interstellaire, il ne représente qu'environ 15 % de la matière de l'univers. Les 85% restants sont connus sous le nom de matière noire. Il n'émet pas de lumière, mais les chercheurs savent qu'il existe par ses effets gravitationnels. Ils savent aussi que ce n'est pas une matière ordinaire, comme le gaz, poussière, étoiles, planètes et nous.

"Il pourrait être composé de trous noirs, ou il pourrait être composé de quelque chose de milliards de fois plus petit qu'un électron, connue sous le nom de matière noire ultralégère, " dit Singh, une théoricienne quantique connue pour ses efforts pionniers pour faire avancer la détection mécanique de la matière noire.

Une possibilité est que la matière noire soit composée de photons noirs, un type de matière noire qui exercerait une faible force oscillante sur la matière normale, provoquant un mouvement de va-et-vient d'une particule. Cependant, puisque la matière noire est partout, il exerce cette force sur tout, rendant difficile la mesure de ce mouvement.

Singh et ses collaborateurs ont déclaré qu'ils pensaient pouvoir surmonter cet obstacle en utilisant des accéléromètres optomécaniques comme capteurs pour détecter et amplifier cette oscillation.

« Si la force dépend du matériau, en utilisant deux objets composés de matériaux différents, la quantité à laquelle ils sont forcés sera différente, ce qui signifie que vous seriez en mesure de mesurer cette différence d'accélération entre les deux matériaux, " dit Manley, l'auteur principal du journal.

Wilson, un expérimentateur quantique et un des collaborateurs de l'équipe UD, assimilé un accéléromètre optomécanique à un diapason miniature. "C'est un appareil vibrant qui, en raison de sa petite taille, est très sensible aux perturbations de l'environnement, " il a dit.

Maintenant, les chercheurs ont proposé une expérience utilisant une membrane en nitrure de silicium et un miroir fixe en béryllium pour faire rebondir la lumière entre les deux surfaces. Si la distance entre les deux matériaux change, les chercheurs sauraient grâce à la lumière réfléchie que des photons sombres étaient présents car le nitrure de silicium et le béryllium ont des propriétés matérielles différentes.

La collaboration a été un élément clé de l'élaboration de la conception de l'expérience, selon Manley. Lui et Singh (théoriciens) ont travaillé avec Wilson et Dey Chowdhury (expérimentateurs) sur les calculs théoriques qui sont entrés dans le plan détaillé pour la construction de leur capteur accéléromètre de table proposé. Pendant ce temps, Sourire, un cosmologiste, aidé à faire la lumière sur les aspects de la physique des particules de la matière noire ultralégère, comme pourquoi il serait ultra-léger, pourquoi il pourrait se coupler différemment aux matériaux et comment il pourrait être produit.

En tant que théoricien, Manley a déclaré que l'opportunité d'en savoir plus sur le fonctionnement des appareils et sur la façon dont les expérimentateurs construisent des choses pour prouver les théories que lui et Singh développent a approfondi son expertise tout en élargissant simultanément son exposition aux cheminements de carrière possibles.

Une œuvre en pleine croissance

Surtout, ce dernier travail s'appuie sur des recherches précédemment publiées par les équipes collaboratrices, signalé l'été dernier en Lettres d'examen physique . Le papier, qui comprenait des contributions de l'ancien étudiant diplômé de l'UD Russell Stump, ont montré que plusieurs dispositifs existants et à court terme à l'échelle du laboratoire sont suffisamment sensibles pour détecter, ou exclure, particules possibles qui pourraient être de la matière noire ultralégère.

La recherche a rapporté que certains types de matière noire ultralégère se connecteraient, ou en couple, avec la matière normale d'une manière qui provoquerait un changement périodique de la taille des atomes. Alors que de petites fluctuations de la taille d'un seul atome peuvent être difficiles à remarquer, l'effet est amplifié dans un objet composé de nombreux atomes, et une amplification supplémentaire peut être obtenue si cet objet est un résonateur acoustique. La collaboration a évalué les performances de plusieurs résonateurs constitués de divers matériaux allant de l'hélium superfluide au saphir monocristallin, et trouvé que ces capteurs peuvent être utilisés pour détecter ce signal de contrainte induit par la matière noire.

Les deux projets ont été soutenus en partie grâce au financement de Singh de la National Science Foundation pour explorer les idées émergentes concernant l'utilisation de dispositifs quantiques de pointe pour détecter les phénomènes astrophysiques avec des technologies de table qui sont plus petites et moins chères que les autres méthodes.

Ensemble, Singh a dit, ces articles étendent l'ensemble des travaux sur ce qui est connu sur les moyens possibles de détecter la matière noire et suggèrent la possibilité d'une nouvelle génération d'expériences sur table.

Singh et Manley travaillent avec d'autres groupes expérimentaux, trop, développer des capteurs de table supplémentaires pour rechercher cette matière noire ou d'autres signaux astrophysiques faibles. Ils cultivent également activement des discussions plus larges sur ce sujet au sein des communautés de la matière noire et des capteurs quantiques.

Par exemple, Singh a récemment discuté des progrès de l'instrumentation transformationnelle dans les détecteurs de physique des particules lors d'un atelier virtuel organisé par le Groupe de coordination pour les détecteurs avancés (CPAD) du ministère de l'Énergie. Elle a également présenté ces résultats lors d'un atelier spécial lors de la réunion d'avril de l'American Physical Society.

"C'est une période passionnante, et j'apprends beaucoup des questions posées par des scientifiques d'horizons divers lors de ces ateliers, ", a déclaré Singh. "Mais il convient de noter que mes idées de recherche les plus originales proviennent toujours de questions posées par des étudiants curieux."