Le champ de matière noire de photons noirs se convertit en photons dans une cible diélectrique en couches. Ces photons sont focalisés par une lentille sur un petit détecteur SNSPD à faible bruit. Le faisceau émis par la pile est approximativement uniforme à l'exception d'une petite région au milieu où un miroir est absent. Crédit :Chiles et al.
Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et du Perimeter Institute ont récemment établi de nouvelles contraintes sur les photons noirs, qui sont des particules hypothétiques et des candidats renommés de la matière noire. Leurs conclusions, présentées dans un article publié dans Physical Review Letters , ont été atteints à l'aide d'un nouveau détecteur de photon unique à nanofil supraconducteur (SNSPD) qu'ils ont développé.
"Il existe une étroite collaboration entre nos groupes de recherche du NIST et du MIT, dirigés respectivement par le Dr Sae Woo Nam et le professeur Karl Berggren", a déclaré Jeff Chiles, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. "Nous travaillons ensemble pour faire progresser la technologie et les applications des dispositifs ultra-sensibles appelés détecteurs à photon unique à nanofils supraconducteurs ou SNSPD. "
Au cours des dernières années, Chiles et ses collègues ont envisagé des applications potentielles qui bénéficieraient des détecteurs SNSPD sur lesquels ils travaillaient, qui n'ont pratiquement aucun bruit de fond parmi d'autres caractéristiques avantageuses. Ils ont finalement été présentés à un groupe de physiciens théoriciens du Perimeter Institute for Theoretical Physics au Canada.
Cette équipe de théoriciens a eu une idée intéressante pour un détecteur de matière noire qui pourrait fonctionner dans un domaine entièrement différent de ceux actuellement utilisés dans les recherches de matière noire. Ce détecteur, à savoir un haloscope optique diélectrique multicouche, était un concept très prometteur, mais il nécessiterait un détecteur optique qui pourrait fonctionner bien mieux que ceux sur le marché aujourd'hui.
"Cela s'est avéré être la combinaison parfaite, car les groupes du MIT et du NIST ont pu construire le détecteur et l'appareil et les tester", a expliqué Chiles. "Nous nous sommes donc associés et avons appelé notre projet LAMPOST (Light A' Multilayer Periodic Optical SNSPD Target). Notre objectif était de réaliser la première preuve de concept expérimentale pour cette idée et de prouver qu'elle pouvait être utilisée pour rechercher de la matière noire. avec une meilleure sensibilité que les limites déjà établies."
Le détecteur optique conçu par Chiles et ses collègues est basé sur une structure connue sous le nom d'empilement ou de cible diélectrique. Cette structure peut générer des photons de signal d'intérêt, en convertissant un photon noir non relativiste en un photon relativiste à la même fréquence.
Nouvelles contraintes sur le photon noir DM avec masse et mélange cinétique. La région ombrée en magenta leur montre la limite de 90 % fixée par notre expérience. La fine courbe violette correspond à la portée d'une expérience équivalente avec un SDE amélioré de 90 %. Les limites existantes sur le photon noir DM des expériences FUNK, SENSEI et Xenon10 et de la non-détection des photons noirs solaires par Xenon1T sont indiquées en gris. Crédit :Chiles et al.
"D'abord, nous avons effectué une analyse de la construction de l'appareil, des simulations optiques pour déterminer l'efficacité de la collection optique, la simulation de l'efficacité de la détection, le calcul de l'influence de la polarisation sur le signal de la matière noire et la puissance minimale du signal compatible avec l'éventuelle gamme de propriétés cibles », a déclaré Ilya Charaev, un autre chercheur impliqué dans l'étude, à Phys.org. "En utilisant la technique SNSPD, tous les signaux entrants ont été enregistrés sur une exposition de 180 heures."
Pour fixer une limite au couplage de la matière noire, les chercheurs ont estimé le taux de comptage dans l'obscurité, également appelé "bruit" pour le détecteur SNSPD qu'ils ont développé. Fait intéressant, leur valeur de bruit estimée est la plus faible de toutes les valeurs rapportées dans la littérature physique.
"Notamment, nous avons atteint notre objectif, car nous avons pu rechercher un type de matière noire, en particulier des" photons noirs ", deux fois plus sensible que toute autre chose dans la gamme d'énergie que nous avons recherchée", a déclaré Chiles. "Dans le grand schéma des choses, il ne s'agit encore que d'un petit cran sur une vaste gamme de possibilités pour la matière noire. Mais pour notre première course, dépasser les limites existantes est une première étape importante, et pour moi, cela témoigne de la puissance et simplicité de l'approche de l'haloscope optique diélectrique multicouche."
Dans leurs expériences, cette équipe de chercheurs a recueilli des informations précieuses qui pourraient éclairer les futures recherches de photons noirs, tout en encourageant potentiellement l'utilisation des SNSPD. En plus de définir de nouvelles contraintes sur les photons noirs, Chiles et ses collègues en ont appris davantage sur les capacités de leur détecteur.
Plus particulièrement, ils ont constaté que le bruit dans leur détecteur était incroyablement faible. Plus précisément, l'équipe n'a observé que 5 "faux événements" pour l'un de leurs détecteurs à photon unique sur 180 heures de collecte de données, ce qui suggère que leur technologie est très sensible aux signaux faibles.
"C'est excitant de penser à quelles autres expériences de physique des événements rares cette technologie pourrait être appliquée dans un avenir proche", a ajouté Chiles. "En attendant, nous prévoyons d'étendre l'expérience à partir d'ici. La première exécution était une preuve de concept, mais la suivante sera suffisamment sensible pour couvrir un grand espace de paramètres pour la matière noire, qui comprendra à la fois des axions et des photons noirs. ."
© 2022 Réseau Science X Des détecteurs d'ondes gravitationnelles pour rechercher la matière noire
