Traquer l’invisible : Des capteurs quantiques pour révéler la direction de la matière noire légère

Le fantôme de l’univers et la quête de l’Université de Tokyo

C’est probablement l’un des plus grands casse-têtes de la physique moderne. La matière noire. Ce truc insaisissable qui refuse obstinément d’émettre, d’absorber ou même de refléter la moindre parcelle de lumière. Elle est là, on le sait, mais elle interagit si faiblement avec la matière ordinaire que nos technologies conventionnelles — celles que les physiciens utilisent depuis toujours pour étudier les particules — sont pratiquement aveugles. C’est frustrant, non ? Comme elle n’a jamais été observée directement, sa composition exacte reste un mystère total.

Mais voilà que des chercheurs de l’Université de Tokyo et de l’Université Chuo ont décidé de changer d’angle d’attaque. Ingrid Fadelli, qui rapporte ces travaux pour Phys.org (avec l’édition de Sadie Harley et la révision de Robert Egan), nous plonge dans cette nouvelle approche fascinante. Une théorie propose que cette matière insaisissable soit composée de particules légères, avec des masses minuscules, inférieures à 1 eV (électron-volt). À cette échelle, elles se comportent davantage comme des ondes que comme des particules solides. C’est là que ça devient intéressant.

L’équipe japonaise a récemment exploré la possibilité de traquer la matière noire dite « sub-GeV » en utilisant des capteurs quantiques. Ce sont des systèmes avancés qui s’appuient sur les effets de la mécanique quantique pour détecter des signaux d’une faiblesse extrême. Leur papier, publié dans la prestigieuse revue Physical Review Letters, met en lumière le potentiel de ces systèmes de détection ultra-sensibles pour suivre non seulement la vitesse, mais aussi la direction de la matière noire légère.

L’étincelle venue d’arXiv : Quand la physique quantique rencontre la haute énergie

Comment on en arrive là ? Parfois, c’est juste une question de curiosité, de hasard presque. Hajime Fukuda, le premier auteur de l’étude, raconte ça avec une simplicité déconcertante. Il explique à Phys.org : « Je vérifiais les papiers récents dans la catégorie physique quantique sur arXiv et j’ai trouvé que la détection quantique distribuée était devenue un sujet assez brûlant ». C’est marrant comment la science avance parfois, juste en scrollant des archives.

Fukuda continue sa réflexion : « Nous nous sommes alors demandé si nous pouvions utiliser cette technologie dans notre domaine (c’est-à-dire la physique des hautes énergies) et nous avons eu l’idée de l’utiliser pour la détection de la matière noire ». L’idée est brillante. L’étude récente menée par Fukuda et ses collègues visait donc à combiner les avancées récentes en ingénierie quantique avec la physique des particules. L’objectif est précis : améliorer les recherches en cours.

Jusqu’ici, pour chercher des particules hypothétiques de matière noire lourde, les physiciens ont principalement essayé de capter de petites vibrations ou des signaux qui émergeraient si ces particules entraient en collision avec des matériaux spécifiques, des atomes ou des noyaux à l’intérieur des détecteurs. « En employant ces approches, il est simple de mesurer la vitesse de la matière noire, bien que ce soit expérimentalement difficile, bien sûr », précise Fukuda. C’est un peu le jeu du chat et de la souris.

Mesurer l’impossible : Vitesse, direction et détecteurs étendus

Mais pour la matière noire légère, c’est une tout autre histoire. Fukuda soulève un point crucial : « Pour la matière noire légère, cependant, nous utilisons typiquement l’excitation d’un certain mode discret, de sorte qu’il n’est pas possible de voir la vitesse ». C’est là que leur innovation entre en scène. Ils ont découvert qu’ils pouvaient mesurer la vitesse de la matière noire légère, non pas en mesurant des signaux étendus spatialement (ce qu’on appelle des traces de recul ou « recoil tracks »), mais en mesurant via des détecteurs spatialement étendus.

Dans leur papier, les chercheurs ont donc introduit une stratégie entièrement nouvelle. Cette méthode pourrait être utilisée pour mesurer la vitesse de la matière noire et, plus important encore, la direction d’où elle vient. Imaginez un peu la précision requise. Cette stratégie implique l’utilisation de plusieurs détecteurs de matière noire et un protocole de mesure quantique. Les données collectées par ces détecteurs seraient traitées comme des données de capteurs quantiques, à partir desquelles les chercheurs pourraient extraire ces fameuses informations cinétiques.

Fukuda et ses collègues ne se sont pas arrêtés à la théorie ; ils ont effectué une série d’analyses pour évaluer le potentiel de leur approche. Le verdict ? Cela améliorerait considérablement la sensibilité des détecteurs. Fukuda explique la différence avec les tentatives passées : « Les travaux antérieurs ont introduit d’autres méthodes pour rechercher la matière noire légère, qui reposaient par exemple sur un détecteur allongé ou un réseau classique de détecteurs ». Mais il y a un hic avec ces vieilles méthodes. « Cependant, ces méthodes dépendent du type détaillé de l’interaction, alors que notre méthode repose sur un réseau de capteurs quantiques et est beaucoup plus générale. De plus, la sensibilité atteinte par notre méthode est meilleure ».

Conclusion : Une nouvelle route pour la physique des particules

On est peut-être à l’aube de quelque chose de grand. Cette nouvelle approche pour chercher la matière noire légère introduite par cette équipe de recherche pourrait bientôt être affinée davantage et appliquée dans des expériences réelles. Ce n’est pas juste de la théorie sur papier. Cette étude récente pourrait aussi inspirer d’autres physiciens des particules et des hautes énergies à explorer le potentiel des systèmes de détection quantique, que ce soit pour la chasse à la matière noire ou pour l’étude précise d’autres particules.

« Nous avons montré que les méthodes quantiques pouvaient jouer un rôle important dans la physique des hautes énergies », ajoute Fukuda, visiblement enthousiaste. Il voit déjà plus loin. « Je pense qu’il pourrait y avoir d’autres applications pour les capteurs quantiques dans notre domaine et je suis excité de continuer à explorer cette possibilité ». Et pour la suite ? « Dans nos prochaines études, nous pourrions aussi améliorer notre méthode et essayer de mesurer non seulement la vitesse mais aussi la distribution de la matière noire par le réseau de capteurs ». C’est fascinant de voir comment une simple vérification sur arXiv peut déboucher sur une potentielle révolution dans notre compréhension de l’univers.

Selon la source : phys.org

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