Des chercheurs de l’Institut countrywide des normes et de la technologie (NIST) et leurs collègues ont proposé une nouvelle méthode pour trouver la matière noire, le matériau mystérieux du cosmos qui échappe à la détection depuis des décennies. La matière noire représente environ 27% de l’univers la matière ordinaire, telle que la matière qui construit les étoiles et les planètes, ne représente que 5% du cosmos. (Une entité mystérieuse appelée énergie noire représente les 68% restants.)




Selon les cosmologistes, tout le matériel obvious de l’univers flotte simplement dans une vaste mer de matière noire – des particules qui sont invisibles mais qui ont néanmoins une masse et exercent une pressure gravitationnelle. La gravité de la matière noire fournirait la colle manquante qui empêche les galaxies de se désagréger et expliquerait comment la matière s’est agglutinée pour previous la riche tapisserie galactique de l’univers.

L’expérience proposée, dans laquelle des pendules d’un milliard de millimètres agiraient comme des capteurs de matière noire, serait la première à chasser la matière noire uniquement grâce à son interaction gravitationnelle avec la matière obvious. L’expérience serait l’une des rares à rechercher des particules de matière noire d’une masse aussi grande que celle d’un grain de sel, une échelle rarement explorée et jamais étudiée par des capteurs capables d’enregistrer de minuscules forces gravitationnelles.




Des expériences antérieures ont recherché la matière noire en recherchant des signes non gravitationnels d’interactions entre les particules invisibles et certains sorts de matière ordinaire. Cela a été le cas pour les recherches d’un type hypothétique de matière noire appelé WIMP (particules massives à faible interaction), qui était un candidat de premier strategy pour le matériau invisible pendant moreover de deux décennies. Les physiciens ont recherché des preuves que lorsque les WIMP entrent parfois en collision avec des substances chimiques dans un détecteur, ils émettent de la lumière ou expulsent une charge électrique.

Les chercheurs à la recherche de WIMP de cette manière sont venus les mains vides ou ont obtenu des résultats non concluants les particules sont trop légères (théorisées pour varier en masse entre celle d’un électron et d’un proton) pour être détectées par leur traction gravitationnelle.

Avec la recherche de WIMP apparemment sur ses dernières jambes, les chercheurs du NIST et leurs collègues envisagent maintenant une méthode in addition directe pour rechercher des particules de matière noire qui ont une masse as well as lourde et exercent donc une drive gravitationnelle suffisamment grande pour être détectées.

« Notre proposition repose uniquement sur le couplage gravitationnel, le seul couplage que nous connaissons avec certitude qui existe entre la matière noire et la matière lumineuse ordinaire », a déclaré le co-auteur de l’étude Daniel Carney, physicien théoricien affilié conjointement avec le NIST, le Joint Quantum Institute (JQI ) et le Joint Middle for Quantum Data and Laptop Science (QuICS) de l’Université du Maryland à Faculty Park, et le Fermi Countrywide Accelerator Laboratory.

Les chercheurs, qui incluent également Jacob Taylor du NIST, JQI et QuICS Sohitri Ghosh de JQI et QuICS et Gordan Krnjaic du Laboratoire countrywide des accélérateurs de Fermi, calculent que leur méthode peut rechercher des particules de matière noire avec une masse minimale d’environ la moitié de celle d’un grain de sel, soit approximativement un milliard de milliards de fois la masse d’un proton. Les scientifiques rapportent leurs découvertes aujourd’hui dans Bodily Critique D.

Parce que la seule inconnue dans l’expérience est la masse de la particule de matière noire, et non la façon dont elle se few à la matière ordinaire, « si quelqu’un construit l’expérience que nous suggérons, il trouve de la matière noire ou exclut tous les candidats de matière noire sur une significant gamme de masses possibles « , a déclaré Carney. L’expérience serait sensible à des particules allant d’environ 1/5 000 de milligramme à quelques milligrammes.

Cette échelle de masse est particulièrement intéressante car or truck elle couvre la masse dite de Planck, une quantité de masse déterminée uniquement par trois constantes fondamentales de la nature et équivalente à approximativement 1/5 000 de gramme.

Carney, Taylor et leurs collègues proposent deux schémas pour leur expérience gravitationnelle sur la matière noire. Les deux impliquent de minuscules dispositifs mécaniques de taille millimétrique agissant comme des détecteurs gravitationnels extrêmement sensibles. Les capteurs seraient refroidis à des températures juste au-dessus du zéro absolu pour minimiser le bruit électrique lié à la chaleur et protégés des rayons cosmiques et d’autres sources de radioactivité. Dans un scénario, une myriade de pendules très sensibles dévieraient chacun légèrement en réponse au tiraillement d’une particule de matière noire qui passait.

Des dispositifs similaires (avec des proportions beaucoup as well as grandes) ont déjà été utilisés dans la détection récente, lauréate du prix Nobel, des ondes gravitationnelles, ondulations dans le tissu de l’espace-temps prédites par la théorie de la gravité d’Einstein. Les miroirs soigneusement suspendus, qui agissent comme des pendules, se déplacent moins que la longueur d’un atome en réponse à une onde gravitationnelle qui passe.

Dans une autre stratégie, les chercheurs proposent d’utiliser des sphères lévitées par un champ magnétique ou des billes lévitées par la lumière laser. Dans ce schéma, la lévitation est désactivée au début de l’expérience, de sorte que les sphères ou les billes sont en chute libre. La gravité d’une particule de matière noire qui passait perturberait très légèrement la trajectoire des objets en chute libre.

« Nous utilisons le mouvement des objets comme signal », a déclaré Taylor. « C’est différent de pratiquement tous les détecteurs de physique des particules. »

Les chercheurs calculent qu’un réseau d’environ un milliard de minuscules capteurs mécaniques répartis sur un mètre cube est nécessaire pour différencier une vraie particule de matière noire d’une particule ordinaire ou de fake signaux électriques aléatoires ou « bruit » déclenchant une fausse alarme dans les capteurs. Les particules subatomiques ordinaires telles que les neutrons (interagissant par une force non gravitationnelle) s’arrêteraient mortes dans un seul détecteur. En revanche, les scientifiques s’attendent à ce qu’une particule de matière noire, passant au-delà du réseau comme un astéroïde miniature, secoue gravitationnellement chaque détecteur sur son chemin, l’un après l’autre.

Le bruit ferait en sorte que les détecteurs individuels se déplacent de manière aléatoire et indépendante plutôt que séquentiellement, comme le ferait une particule de matière noire. En prime, le mouvement coordonné du milliard de détecteurs révélerait la path dans laquelle la particule de matière noire se dirigeait alors qu’elle zoomait sur le réseau.

Pour fabriquer autant de minuscules capteurs, l’équipe suggère que les chercheurs voudront peut-être emprunter des approaches que les industries des smartphones et de l’automobile utilisent déjà pour produire un grand nombre de détecteurs mécaniques.

Grâce à la sensibilité des détecteurs individuels, les chercheurs qui utilisent la technologie n’ont pas besoin de se limiter au côté obscur. Une version à as well as petite échelle de la même expérience pourrait détecter les forces faibles d’ondes sismiques éloignées ainsi que celles du passage de particules subatomiques ordinaires

L’expérience à plus petite échelle pourrait même chasser les particules de matière noire – si elles donnent un coup de pied assez grand aux détecteurs par une drive non-gravitationnelle, comme certains modèles le prédisent, a déclaré Carney.

« Nous nous fixons l’objectif ambitieux de construire un détecteur gravitationnel de matière noire, mais la R&D nécessaire pour y parvenir ouvrirait la porte à de nombreuses autres mesures de détection et de métrologie », a déclaré Carney.

Des chercheurs d’autres establishments ont déjà commencé à mener des expériences préliminaires en utilisant le plan directeur de l’équipe du NIST.