Une nouvelle recherche utilise une antenne parabolique coaxiale pour rechercher la matière noire

L’un des grands mystères de la science moderne est la matière noire. Nous savons que la matière noire existe grâce à ses effets sur d’autres objets du cosmos, mais nous n’avons jamais pu la voir directement. Et ce n’est pas une mince affaire : actuellement, les scientifiques pensent qu’elle représente environ 85 % de toute la masse de l’univers.

Une nouvelle expérience réalisée par une collaboration dirigée par l’Université de Chicago et le Fermi National Accelerator Laboratory, connue sous le nom de Broadband Reflector Experiment for Axion Detection ou BREAD, a publié ses premiers résultats dans la recherche de matière noire dans une étude publiée dans Lettres d’examen physique. Bien qu’ils n’aient pas trouvé de matière noire, ils ont réduit les contraintes quant à l’endroit où elle pourrait se trouver et ont démontré une approche unique qui pourrait accélérer la recherche de la substance mystérieuse, pour un espace et un coût relativement réduits.

“Nous sommes très enthousiasmés par ce que nous avons pu faire jusqu’à présent”, a déclaré UChicago Assoc. Le professeur David Miller, co-responsable de l’expérience aux côtés d’Andrew Sonnenschein du Fermilab, qui a initialement développé le concept de l’expérience. “Cette conception présente de nombreux avantages pratiques, et nous avons déjà montré la meilleure sensibilité à ce jour dans cette fréquence de 11 à 12 gigahertz.”

“Ce résultat constitue une étape importante pour notre concept, démontrant pour la première fois la puissance de notre approche”, a déclaré Stefan Knirck, chercheur postdoctoral au Fermilab et auteur principal de l’étude, qui a dirigé la construction et l’exploitation du détecteur. “C’est formidable de faire ce genre de science créative à l’échelle de la table, où une petite équipe peut tout faire, de la construction de l’expérience à l’analyse des données, tout en ayant un grand impact sur la physique des particules moderne.”

‘Il y a quelque chose’

Lorsque nous regardons autour de l’univers, nous pouvons voir qu’une sorte de substance exerce suffisamment de gravité pour attirer les étoiles et les galaxies et transmettre la lumière, mais aucun télescope ou appareil n’a jamais capté directement la source, d’où le nom de « matière noire ».

Cependant, comme personne n’a jamais vu de matière noire, nous ne savons même pas exactement à quoi elle pourrait ressembler ni même précisément où la chercher. “Nous sommes convaincus qu’il existe quelque chose, mais cela pourrait prendre de très nombreuses formes”, a déclaré Miller.

Les scientifiques ont cartographié plusieurs des options les plus probables en matière de lieux et de formes à rechercher. Généralement, l’approche consiste à construire des détecteurs pour rechercher de manière très approfondie une zone spécifique (dans ce cas, un ensemble de fréquences) afin de l’exclure.

Mais une équipe de scientifiques a exploré une approche différente. Leur conception est « à large bande », ce qui signifie qu’ils peuvent rechercher un plus grand nombre de possibilités, bien qu’avec un peu moins de précision.

“Si vous y réfléchissez comme à une radio, la recherche de la matière noire revient à régler le cadran pour rechercher une station de radio particulière, sauf qu’il y a un million de fréquences à vérifier”, a déclaré Miller. “Notre méthode revient à analyser 100 000 stations de radio, plutôt que quelques-unes de manière approfondie.”

Une preuve de concept

Le détecteur BREAD recherche un sous-ensemble spécifique de possibilités. Il est conçu pour rechercher la matière noire sous la forme de ce que l’on appelle des « axions » ou des « photons sombres », des particules de masse extrêmement petite qui pourraient être converties en photon visible dans de bonnes circonstances.

Ainsi, BREAD se compose d’un tube métallique contenant une surface incurvée qui capte et canalise les photons potentiels vers un capteur à une extrémité. L’ensemble est suffisamment petit pour tenir dans vos bras, ce qui est inhabituel pour ce type d’expériences. Dans la version à grande échelle, BREAD sera installé à l’intérieur d’un aimant pour générer un champ magnétique puissant, ce qui augmente les chances de convertir les particules de matière noire en photons.

Cependant, pour prouver le principe, l’équipe a mené l’expérience sans aimants. La collaboration a fait fonctionner le prototype à UChicago pendant environ un mois et analysé les données.

Les résultats sont très prometteurs, montrant une très grande sensibilité dans la fréquence choisie, ont indiqué les scientifiques.

Depuis les résultats publiés dans Lettres d’examen physique ont été acceptés, BREAD a été déplacé dans un aimant IRM reconverti au Laboratoire national d’Argonne et prend davantage de données. Son éventuel siège, au Fermi National Accelerator Laboratory, utilisera un aimant encore plus puissant.

“Ce n’est que la première étape d’une série d’expériences passionnantes que nous prévoyons”, a déclaré Sonnenschein. “Nous avons de nombreuses idées pour améliorer la sensibilité de notre recherche d’axions.”

“Il y a encore tellement de questions ouvertes en science et un énorme espace pour de nouvelles idées créatives pour aborder ces questions”, a déclaré Miller. “Je pense qu’il s’agit d’un exemple vraiment marquant de ce genre d’idées créatives : dans ce cas, des partenariats de collaboration percutants entre la science à petite échelle dans les universités et la science à plus grande échelle dans les laboratoires nationaux.”

L’instrument BREAD a été construit au Fermilab dans le cadre du programme de R&D sur les détecteurs du laboratoire, puis exploité à UChicago, où les données de cette étude ont été collectées. Gabe Hoshino, étudiant diplômé de l’UChicago, a dirigé le fonctionnement du détecteur, aux côtés des étudiants de premier cycle Alex Lapuente et Mira Littmann.

Le Laboratoire national d’Argonne possède une installation magnétique qui sera utilisée pour la prochaine étape du programme de physique BREAD. D’autres institutions, notamment le SLAC National Accelerator Laboratory, le Lawrence Livermore National Laboratory, l’Illinois Institute of Technology, le MIT, le Jet Propulsion Laboratory, l’Université de Washington, Caltech et l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, travaillent avec UChicago et Fermilab sur R&D pour les futures versions de l’expérience.