Nouvelles recherches publiées dans Lettres d'examen physique suggère que les aimants supraconducteurs utilisés dans les expériences de détection de matière noire pourraient fonctionner comme des détecteurs d'ondes gravitationnels très précis, établissant ainsi une bande de fréquence entièrement nouvelle pour observer ces ondulations cosmiques.
Ce concept élargit l'architecture initiale de la barre Weber des années 1960, dans laquelle Joseph Weber a proposé de détecter les ondes gravitationnelles en utilisant des cylindres métalliques massifs qui répondraient par une résonance mécanique.
Bien que la technique de Weber ait réussi à certaines fréquences de résonance, elle a connu une sensibilité réduite en dehors de ces bandes de fréquences restreintes.
Cette étude étend ce concept, démontrant que les aimants DC peuvent fonctionner comme des barres de Weber magnétiques, détectant potentiellement les ondes gravitationnelles dans la gamme de fréquences Kilohertz auparavant difficile à Megahertz.
Issues.fr s'est entretenu avec le co-auteur du Dr Sebastian Ellis de l'Université de Genève à propos de la recherche, qu'il a menée avec Valerie Domcke du Cern et Nicholas L. Rodd du Lawrence Berkeley National Laboratory.
« Ce que nous avons reconnu, c'est que si le concept de bar Weber fonctionne très bien si la fréquence des ondes gravitationnelles est très proche d'un mode résonnant de la barre elle-même, il ne fonctionne pas aussi bien hors résonance », a expliqué Ellis à Issues.fr. « Vous pouvez le considérer comme un instrument qui joue bien sur la clé mais qui semble horrible hors clé. »
La nouvelle approche magnétique aborde cette limitation fondamentale en tirant parti de l'énorme énergie magnétique stockée dans les aimants supraconductrices, qui dépasse de loin l'énergie électrique disponible dans les systèmes de lecture traditionnels de la barre Weber.
Comment les champs magnétiques interagissent avec les ondes gravitationnelles
Le mécanisme de détection repose sur une interaction intelligente en deux étapes entre les ondes gravitationnelles et les champs magnétiques.
Une onde gravitationnelle traversant un aimant supraconducteur induit des vibrations microscopiques à travers toute la structure, analogue au mouvement à peine perceptible des miroirs de Ligo.
« Alors qu'une onde gravitationnelle passe sur et à travers l'aimant, elle provoque une vibration de toute la structure car l'effet de l'onde est similaire à celui d'une force mécanique agissant sur l'objet », a expliqué Ellis.
« Cette vibration entraîne des déformations de la structure contenant le fil à travers lequel le courant circule, qui génère un champ magnétique. »
Ces déformations créent un composant de champ magnétique oscillant que les chercheurs peuvent détecter en utilisant des capteurs quantiques extraordinairement sensibles appelés Squids (dispositifs interférométriques quantiques supraconduants).
Une boucle de ramassage (qui agit comme une antenne magnétique) placée près de l'extrémité de l'aimant peut capturer ces changements de champ magnétique minuscules, traduisant les signaux d'onde gravitationnels directement dans les lectures électromagnétiques.
L'approche offre plusieurs avantages clés par rapport aux méthodes traditionnelles.
Contrairement aux barres Weber conventionnelles qui nécessitent une conversion de signal mécanique à électromagnétique complexe, les barres de Weber magnétiques produisent des signaux intrinsèquement électromagnétiques. Cela supprime une source significative d'interférence et de complication tout en offrant une sensibilité à large bande sur un spectre de fréquence étendu.
Utiliser des expériences de matière noire pour rechercher des ondes gravitationnelles
La recherche met spécifiquement met en évidence des aimants puissants en cours de construction pour les expériences d'Axion Dark Matter, notamment DMRADIO et ADMX-EFR (Axion Dark Matter, gamme de fréquences étendue).
Ces expériences présentent d'énormes aimants supraconducteurs qui pourraient simultanément rechercher des ondes de matière noire et des ondes gravitationnelles.
« Le principal avantage des aimants qui seront utilisés pour les expériences d'axion Dark Matter est leur énorme énergie magnétique. Ils ont des champs magnétiques très puissants, et ils sont également très grands », a noté Ellis.
« Comme nous l'avons souligné dans notre article, c'est l'énergie (électro) magnétique qui domine la sensibilité hors résonance d'une barre de Weber, qu'elle soit magnétique ou traditionnelle. »
Les chercheurs ont estimé que la sensibilité de ces aimants IRM serait un peu inférieure à la performance de pointe de LIGO. Cependant, il fonctionnerait sur une gamme de fréquences beaucoup plus large, de quelques kilohertz à environ 10 mégahertz.
Surtout, cela le rendrait plus sensible que LIGO à des fréquences supérieures à quelques kilohertz, ouvrant une toute nouvelle fenêtre de détection.
Nouvelles fenêtres cosmiques
Cette gamme de fréquences représente un territoire largement inexploré pour l'astronomie des ondes gravitationnelles.
La recherche est née de reconnaître que les expériences d'axion existantes et planifiées possédaient exactement la bonne infrastructure pour la détection des ondes gravitationnelles.
« Notre idée est apparue lorsque nous avons réalisé que des expériences prévues et existantes ciblant un candidat de la matière noire connue sous le nom d'axion avaient de très grands aimants puissants qui pourraient être utilisés simultanément pour rechercher des ondes gravitationnelles », a déclaré Ellis.
« Nous espérions que pouvoir rechercher deux signaux plutôt que l'un augmenterait le cas scientifique pour effectuer ces expériences. »
La conversion de ce concept en détecteurs de travail nécessitera de surmonter des obstacles techniques importants, en particulier pour isoler les instruments des vibrations environnementales qui pourraient imiter les signaux d'ondes gravitationnelles.
« L'appareil doit être extrêmement bien isolé des vibrations environnementales », a noté Ellis.
« Cette exigence est très similaire à celle confrontée par Ligo, et par les barres de Weber traditionnelles telles que le Bar Auriga de 2 tonnes. Le fait qu'ils aient pu isoler avec succès leurs appareils nous rend optimistes. »
L'équipe élargit maintenant sa collaboration et étudie des signaux d'ondes gravitationnelles spécifiques qui pourraient être détectées avec des barres weber magnétiques opérationnelles. Ils explorent également des techniques de détection quantique avancées au-delà des calmars qui pourraient améliorer encore la sensibilité.
Écrit pour vous par notre auteur Tejasri Gururaj, édité par Lisa Lock, et vérifié et révisé par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain soigneux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
