Bien que l'existence de la matière noire soit désormais bien documentée, les astrophysiciens du monde entier tentent toujours de concevoir des méthodes efficaces pour la détecter et confirmer sa composition.

L'expérience de réflecteur à large bande pour la détection d'axions (BREAD), un projet de recherche récemment créé et dirigé par des physiciens de l'Université de Chicago et du Fermi Accelerator Laboratory, a introduit une nouvelle approche pour rechercher des candidats à la matière noire claire, y compris les photons noirs et les axions.

La méthode proposée par la collaboration BREAD, décrite dans un article publié dans Physical Review Letters , implique l'utilisation d'une antenne parabolique coaxiale pour capter les signaux qui seraient associés à ces particules.

"Nous savons qu'il existe autour de nous une forme de matière qui n'interagit que très faiblement et ne rayonne pas, mais nous ne savons pas de quoi elle est composée", a déclaré Stefan Knirck, auteur correspondant de la collaboration BREAD, à Phys.org. /P>

"De nombreux efforts ont été déployés au cours des dernières décennies pour rechercher de nouvelles particules fondamentales ayant une masse similaire à celle d'un proton, mais avec peu de succès. Nous nous tournons donc vers d'autres candidats très bien motivés :le photon sombre et l'axion. "

On estime que les photons et les axions sombres sont environ 1 000 milliards de fois plus légers que les protons, leur détection nécessiterait donc des technologies très différentes. Alors que la collaboration BREAD en est encore à ses balbutiements, elle a introduit une nouvelle technologie conçue pour rechercher ces particules plus légères. L'objectif de la récente étude menée par Knirck et ses collègues était de commencer à tester cette technologie dans le cadre d'une première expérience à petite échelle.

"L'idée derrière notre travail est que si la matière noire axion (ou dans le cas de cet article, photon noir) existe, elle peut se convertir en particules de lumière (photons) sur une paroi métallique", a expliqué Knirck. "Les photons sont émis perpendiculairement au mur.

"Dans BREAD, le cylindre extérieur correspond à ce mur. Toute cette lumière est ensuite focalisée sur un petit endroit où vous pouvez placer un détecteur de lumière ou une antenne pour rechercher un signal. Dans BREAD, la combinaison du réflecteur intérieur en forme de larme et le cylindre extérieur s'occupe de la mise au point."

Pour rendre l'installation sensible à la matière noire des axions, la collaboration BREAD pourrait également ajouter un champ magnétique parallèle à la paroi métallique dans une future version de l'expérience. Une caractéristique unique du nouveau détecteur est qu'il peut s'adapter à de très grands aimants solénoïdes (à l'échelle m) à champ élevé (multi-Tesla).

"Dans cette première expérience, nous nous sommes concentrés sur la détection de la "lumière" dans le régime des micro-ondes, semblable aux micro-ondes utilisées lorsque vous réchauffez des aliments à la maison", a déclaré Knirck. "À cette fin, nous avons conçu une antenne micro-ondes personnalisée au point focal et un système très sensible pour voir les plus petites puissances reçues par l'antenne. Cela a tiré parti du développement de pointe en électronique quantique en cours au Laboratoire Fermi."

La collaboration BREAD a collecté sa première série de données l'été dernier, plus précisément entre juin et juillet 2023. Les données recueillies incluent le bruit thermique capté par l'antenne pendant cette période et un peu de bruit supplémentaire provenant de l'amplification.

"Dans ce bruit, un signal serait un petit excès, ce que nous avons recherché dans notre analyse", a déclaré Knirck. "C'est comme si vous tourniez le bouton de fréquence d'une radio :s'il n'y a pas de station à une fréquence donnée, vous entendez du bruit, mais lorsque vous la syntonisez lentement sur une station, vous pouvez entendre le signal de la station qui commence à dominer le bruit. ."

L'article récent publié par Knirck et ses collaborateurs présente les résultats de leur première recherche de photons sombres à l'aide de ce nouveau détecteur. Bien qu'ils n'aient capté aucun signal pertinent, leur expérience s'est avérée environ 10 000 fois plus sensible à la puissance du signal des photons sombres dans une masse allant de 44 à 52  μeV (10,7 à 12,5 GHz) que les méthodes proposées précédemment.

"Notre travail démontre le potentiel de ce concept et nous permet de l'étendre et de le rendre beaucoup plus sensible à l'avenir", a déclaré Knirck. "Cela nous motive à continuer à développer cette technologie avec une bien meilleure sensibilité sur des plages beaucoup plus larges de différentes masses de matière noire."

La Collaboration BREAD espère que leur nouvelle approche leur permettra de
explorer les modèles d'axions les plus motivés et conduire potentiellement à leur détection, ce qui constituerait une énorme avancée dans l'astrophysique des particules.

Les chercheurs mènent actuellement leur expérience dans un aimant 4T au Laboratoire national d'Argonne, pour découvrir sa sensibilité à la matière noire de type axion.

"Nous construisons également davantage de prototypes combinant le concept avec différentes technologies quantiques de pointe pour être sensibles aux particules de lumière individuelles au foyer", a ajouté Knirck. "Au Laboratoire Fermi, nous espérons bientôt recevoir un aimant encore plus puissant qui rendra nos expériences beaucoup plus sensibles.

"L'objectif à long terme est un programme expérimental à grande échelle avec une installation à l'échelle ~10 m à l'intérieur d'un énorme aimant permettant d'explorer les modèles les plus motivés."