Depuis des décennies, les physiciens prédisent l’existence de la matière noire, une matière qui n’absorbe, n’émet ou ne réfléchit pas la lumière. Bien qu’il existe désormais des preuves significatives de l’existence de la matière noire dans l’univers, celle-ci n’ayant jamais été détectée directement auparavant, sa composition reste inconnue.

Ces dernières années, des chercheurs du monde entier ont émis différentes hypothèses sur la composition de cette matière insaisissable et ont tenté de les tester expérimentalement. Nombre d’entre eux ont suggéré qu’elle pourrait être composée de nouveaux types de particules élémentaires jusqu’alors non observées, comme les axions et les particules massives faiblement interactives (WIMP).

Il y a quelques semaines, deux grandes collaborations de recherche, les collaborations PandaX-4T et ADMX, ont publié les résultats de deux nouvelles recherches de matière noire basées sur des hypothèses différentes. Dans leur étude, publiée dans Physical Review Letters, les chercheurs de la collaboration PandaX-4T ont cherché des signes d’une nouvelle particule élémentaire dans les données recueillies à l’aide d’une chambre de projection temporelle au China Jinping Underground Laboratory (CJPL), le laboratoire souterrain le plus profond du monde.

« L’une des particules candidates les plus prometteuses pour la matière noire est le WIMP, qui explique naturellement la densité de matière noire observée aujourd’hui », a déclaré Qing Lin à Phys.org, au nom de l’ensemble de la collaboration PandaX-4T. « Les WIMPs pourraient avoir des interactions très faibles avec la matière, ce qui permet de les rechercher dans des expériences de laboratoire. »

L’objectif principal des récents travaux de la collaboration PandaX-4T était de rechercher le dépôt d’énergie résultant d’une interaction directe entre les particules WIMP et les noyaux cibles. Pour ce faire, ils ont utilisé un détecteur situé dans les profondeurs du sous-sol, qui se caractérise par un seuil d’énergie très bas (keV) et un faible fond radioactif.

« La technique employée par notre détecteur est la chambre de projection temporelle (TPC) au xénon à double phase, qui recueille à la fois les signaux de lumière et de charge d’un dépôt d’énergie », a expliqué Lin. « Les données ont été recueillies au CJPL de novembre 2020 à avril 2021 ».

Le détecteur de matière noire PandaX-4T est l’un des plus grands au monde. Le détecteur a été construit de toutes pièces dans les installations récemment agrandies du CJPL-II, sur une courte période à partir de 2018.

« Nous avons eu une mise en service très réussie et avons produit le premier ensemble de données scientifiques », a déclaré Lin. « Dans notre article, nous avons fait état d’une recherche de WIMP et de la meilleure contrainte à son égard jusqu’à présent. Cela indique que l’interaction du WIMP avec le nucléon pourrait être plus faible que les contraintes données par les expériences précédentes. »

À peu près au même moment où la collaboration PandaX-4T publiait ses résultats, une grande équipe de recherche appelée la collaboration ADMX présentait les résultats d’une autre recherche de matière noire. Dans son étude, également publiée dans Physical Review Letters, la collaboration ADMX a spécifiquement recherché des axions, un autre candidat prometteur pour la matière noire, à l’aide d’un détecteur à haloscope.

« Les axions ont d’abord été proposés pour résoudre le problème du CP fort (Peccei/Quinn/Weinberg/Wilczek) », explique à Phys.org Tatsumi Nitta, l’un des membres de la collaboration ADMX. « ADMX est basé sur l’idée d’un haloscope à axions, comme l’a proposé Pierre Sikivie peu de temps après que les axions aient été suggérés comme étant également un candidat à la matière noire. »

La collaboration ADMX a été fondée en 1993, mais elle a publié ses premiers résultats cinq ans plus tard. Ces premiers résultats, qui comptaient parmi les prédictions les plus prometteuses de l’existence des axions, leur ont permis d’établir des contraintes sur le modèle dit KSVZ. À terme, cependant, l’équipe espérait tester les contraintes du modèle DFSZ, qui nécessite 10 fois moins de puissance que le modèle KSVZ.

« En 2018, nous avons finalement atteint le modèle DFSZ en installant un amplificateur quantique à environ 650 MHz », explique Nitta. « Les axions peuvent se situer n’importe où entre le sub-GHz et le THz, donc la prochaine chose à faire est évidemment de balayer des fréquences plus élevées. Grâce au résultat de 2019 et à ce résultat, nous avons remplacé plusieurs composants pour les adapter aux signaux de plus haute fréquence et nous avons réussi à effectuer un balayage sur la gamme de fréquences de 650 à 1 020 MHz. »

Les prédictions théoriques suggèrent que les axions sont convertis en un champ magnétique puissant par des ondes électromagnétiques. La puissance de ces ondes devrait être très faible, de l’ordre du yocto (10^-24) Watt. C’est environ 10^-12 moins de puissance que ce qu’un autoradio peut capter.

Pour capter ce signal, la collaboration AMDX utilise un aimant supraconducteur de 7,5 T. Le détecteur ultrasensible est basé sur un système quantique. Leur détecteur très sensible est basé sur des amplificateurs quantiques, tels que l’amplificateur paramétrique Josephson, une catégorie de technologies largement utilisées dans le domaine de l’informatique quantique.

« La fréquence de l’onde électromagnétique correspond à la masse de l’axion, qui est d’environ 1 GHz pour les axions de notre cible actuelle », a déclaré Nitta. « Cela se situe entre les fréquences de la radio FM et du Wifi. Le signal est un pic de fréquence fixe provenant des axions, au-dessus d’un bruit de fond blanc provenant du rayonnement du corps noir (comme la raison pour laquelle le Soleil est lumineux. Dans notre cas, la température est si basse qu’une très faible puissance est attendue). »

Dans le cadre de leur récente étude, Nitta et ses collègues ont analysé plus de 200 000 spectres, à la recherche d’un minuscule signal de pic de fréquence. Néanmoins, ils n’ont pu détecter aucun axion dans la gamme de fréquences spécifique qu’ils ont examinée.

« Nos résultats signifient que si les axions ont le couplage KSVZ prédit, nous pouvons exclure que des axions de ces masses constituent la totalité de la matière noire », a ajouté Nitta. « Cela nous permet de savoir qu’il faut chercher ailleurs, car la théorie donne une gamme de fréquences que nous devons explorer. Nous avons démontré un moyen efficace de déterminer si un pic dans un spectre est un axion ou non (il est mentionné comme les modes TM010 ou TM011). »

Après avoir publié leur article, l’équipe a mis en œuvre plusieurs changements et mises à niveau de leurs méthodes et équipements expérimentaux. Dans leurs travaux futurs, ils prévoient d’essayer à nouveau de rechercher des axions dans la même gamme de fréquences, afin d’exclure la possibilité d’axions du modèle DFSZ. Par la suite, ils espèrent également explorer des fréquences plus élevées, dans l’espoir de détecter enfin la matière noire des axions.

Entre-temps, la collaboration PandaX-4T prévoit également d’autres recherches de matière noire. Pour augmenter leurs chances de détecter les interactions entre les particules WIMP et les noyaux cibles, ils vont d’abord travailler à améliorer la sensibilité de leur détecteur.

« Le PandaX-4T devrait améliorer d’un ordre de grandeur la sensibilité actuelle de la recherche sur la matière noire et balayer une large gamme d’espaces de paramètres inexplorés avec une exposition nominale de 6 tonnes par an », a déclaré Lin. « Parallèlement, en tant qu’expérience polyvalente, PandaX-4T vise également à étudier la physique des neutrinos, notamment les neutrinos de Majorana, les neutrinos solaires, les neutrinos de supernova, etc. »

((Traduction totalement bénévole sans retombées économiques pour ce site))