Les chercheurs proposent de réutiliser des capteurs de table pour rechercher de la matière noire


Matière noire

Crédit photo: CC0 Public Domain

scientifiques sont certains que la matière noire existe. Cependant, après plus de 50 ans de recherche, ils n’ont toujours aucune preuve directe de la substance mystérieuse.

Swati Singh de l’Université du Delaware fait partie d’un petit groupe de chercheurs de la communauté de la matière noire qui se demandent s’ils recherchent le bon type de matière noire.

« Et si la matière noire était beaucoup plus brillante que les expériences traditionnelles de physique particules? » a déclaré Singh, professeur adjoint de génie électrique et informatique à l’UD.

Désormais, Singh, Jack Manley, étudiant au doctorat à l’UD, et le personnel de l’Université de l’Arizona et du Haverford College ont proposé une nouvelle façon de rechercher des particules susceptibles de former de la matière noire en réutilisant la technologie de capteur de table existante. L’équipe a récemment rendu compte de leur approche dans un article publié dans Lettres d’examen physique.

Les co-auteurs de l’article comprennent Dalziel Wilson, professeur adjoint de sciences optiques de l’Arizona, Mitul Dey Chowdhury, étudiant diplômé de l’Arizona, et Daniel Grin, professeur adjoint de physique au Haverford College.

Pas une entreprise ordinaire

Singh a expliqué que lorsque vous additionnez toutes les choses qui émettent de la lumière, telles que les étoiles, les planètes et le interstellaire, cela ne représente qu’environ 15% de la matière dans l’univers. Les 85% restants sont connus sous le nom de matière noire. Il n’émet pas de lumière, mais les chercheurs savent qu’il existe grâce à ses effets gravitationnels. Ils savent aussi que ce n’est pas de la matière ordinaire, comme le gaz, la poussière, les étoiles, les planètes et nous.

« Il pourrait être composé de trous noirs, ou il pourrait être des milliards de fois plus petit qu’un électron, connu sous le nom de matière noire ultra-légère », a déclaré Singh, un théoricien quantique connu pour avoir été le pionnier de la détection mécanique de la matière noire.






Une possibilité est que la matière noire soit composée de photons noirs, un type de matière noire qui exerce une faible force oscillatoire sur la matière normale et provoque un mouvement de va-et-vient d’une particule. Cependant, parce que la matière noire est partout, elle applique cette force à n’importe quoi, ce qui rend ce mouvement difficile à mesurer.

Singh et ses collègues pensent pouvoir surmonter cet obstacle en utilisant des accéléromètres opto-mécaniques comme capteurs pour et amplifier cette vibration.

« Si la force dépend du matériau, en utilisant deux objets faits de matériaux différents, la quantité de force avec laquelle ils sont forcés sera différente, ce qui signifie que vous pouvez mesurer cette différence d’accélération entre les deux matériaux », a déclaré Manley, le responsable du papier auteur.

Wilson, un expérimentateur quantique et membre de l’équipe UD, a comparé un accéléromètre optomécanique à un diapason miniature. « C’est un appareil vibrant qui est très sensible aux perturbations environnementales en raison de sa petite taille », a-t-il déclaré.

Maintenant, les chercheurs ont proposé une expérience qui utilise une membrane en nitrure de silicium et un miroir en béryllium solide pour réfléchir la lumière entre les deux surfaces. Si la distance entre les deux matériaux change, les chercheurs reconnaîtront à la lumière réfléchie que des photons sombres sont présents, car le nitrure de silicium et le béryllium ont des propriétés matérielles différentes.

Travailler ensemble faisait partie intégrante du développement de la conception, selon Manley. Lui et Singh (théoriciens) ont travaillé avec Wilson et Dey Chowdhury (expérimentateurs) sur les calculs théoriques qui sont entrés dans la conception détaillée de la construction de leur accéléromètre de table proposé. Dans l’intervalle, le cosmologiste Grin a contribué à faire la lumière sur les aspects physiques des particules de la matière noire ultra-légère, par ex. B. pourquoi il devrait être ultra-léger, pourquoi il pourrait se coupler différemment aux matériaux et comment il pourrait être fabriqué.

En tant que théoricien, Manley a déclaré que le fait d’avoir l’opportunité d’en apprendre davantage sur le fonctionnement des appareils et la façon dont les expérimentateurs construisent des choses pour prouver les théories développées par lui et Singh a accru son expertise tout en élargissant sa visibilité sur les cheminements de carrière possibles.

Détection de matière sombre

Jack Manley (à gauche) est un étudiant au doctorat à l’UD et Swati Singh est professeur adjoint au Département de génie électrique et informatique du College of Engineering. Crédit d’image: Evan Krape, photo composite de Jeffrey C.Chase

Un nombre croissant d’emplois

Il est important de noter que ces derniers travaux s’appuient sur des recherches déjà publiées par les équipes collaboratrices qui ont travaillé dans Lettres d’examen physique. L’article, qui comprenait des contributions de l’ancien étudiant au doctorat de l’UD Russell Stump, a montré que plusieurs dispositifs existants et à court terme à l’échelle du laboratoire sont suffisamment sensibles pour détecter ou exclure d’éventuelles particules qui pourraient être de la matière noire ultra-légère.

La recherche a révélé que certains types de matière noire ultralégère se combineraient ou se coupleraient à la matière normale de manière à modifier périodiquement la taille des atomes. Alors que de petites variations de la taille d’un seul atome peuvent être difficiles à remarquer, l’effet est amplifié dans un objet composé de nombreux atomes et une amplification supplémentaire peut être obtenue si cet objet est un résonateur acoustique. La collaboration a évalué les performances de plusieurs résonateurs fabriqués à partir d’une variété de matériaux, allant de l’hélium superfluide au saphir monocristallin, et a constaté que ces capteurs peuvent être utilisés pour détecter ce signal de déformation induit par la matière noire.

Les deux projets ont été soutenus en partie par le financement de Singh de la National Science Foundation pour explorer de nouvelles idées sur l’utilisation de dispositifs quantiques de pointe pour détecter des phénomènes astrophysiques avec des technologies de table plus petites et moins coûteuses que les autres méthodes.

Ensemble, dit Singh, ce travail élargit le travail sur les possibilités connues de détection de la matière noire et suggère la possibilité d’une nouvelle génération d’expériences sur table.

Singh et Manley travaillent également avec d’autres groupes de recherche pour développer des capteurs de table supplémentaires pour rechercher une telle matière noire ou d’autres signaux astrophysiques faibles. Ils s’engagent également activement dans des discussions plus larges sur le sujet au sein des communautés de matière noire et de capteurs quantiques.

Par exemple, Singh a récemment discuté des progrès réalisés dans la transformation d’instruments en détecteurs de physique des particules dans un atelier virtuel organisé par le Panel de coordination des détecteurs avancés (CPAD) du Département de l’énergie. Elle a également présenté ces résultats lors d’un atelier spécial lors de la réunion d’avril de l’American Physical Society.

« C’est une période passionnante et j’apprends beaucoup des questions que les scientifiques de différents horizons posent dans des ateliers comme celui-ci », a déclaré Singh. « Mais il est intéressant de noter que mes idées de recherche les plus originales proviennent toujours de questions posées par des étudiants curieux. »


Recherche de matière noire scalaire avec des résonateurs mécaniques compacts


Plus d’information:
Jack Manley et coll. Recherche de matière noire vectorielle avec un accéléromètre optomécanique, Lettres d’examen physique (2021). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.061301

Fourni par l’Université du Delaware

Citation: Les chercheurs suggèrent d’utiliser des capteurs de table pour la recherche de matière noire (5 mai 2021), disponible le 5 mai 2021 sur https://phys.org/news/2021-05-repurposing-tabletop-sensors-dark .html

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