Au cours des dernières décennies, de nombreuses équipes de recherche dans le monde ont essayé de détecter la matière noire, un type de matière insaisissable qui n'émet pas, ne reflète pas ou n'absorbe pas la lumière, en utilisant une variété de détecteurs très sensibles. En fin de compte, ces détecteurs devraient pouvoir ramasser les très petits signaux qui indiqueraient la présence de matière noire ou ses faibles interactions avec la matière régulière.
L'Expérience cryogénique Qrocodile (Resolution quantique pour la résolution de la résolution quantique pour les chercheurs de l'Université de Zurich, de l'Université hébraïque de Jérusalem et du Massachusetts Institute of Technology (MIT), a récemment introduit une approche prometteuse pour effectuer des recherches de matière noire. Dans un article récent publié dans Lettres d'examen physiqueils ont démontré le potentiel de cette méthode et la sensibilité élevée du détecteur sur lequel elle s'appuie.
« L'idée de l'expérience Qrocodile a pris forme il y a quelques années, lorsque notre collègue et expert en nanofils supraconduants, Ilya Charaev, a déménagé du MIT à Zurich, rejoignant le groupe d'Andreas Schilling », a déclaré Laura Baudis et Andreas Schilling, qui fait partie de la collaboration Qrocodile, a déclaré Issues.fr.
« Ilya avait déjà collaboré avec nos collègues théoriques, Yonit Hochberg et Ben Lehmann, sur les premières propositions d'utilisation des capteurs supraconducteurs pour détecter la matière noire légère. Nous appuyant sur leur travail pionnier, et avec des physiciens condensés dans notre département, nous avons entrepris de concevoir une nouvelle expérience basée sur le nanowire super-photon (Snspds).
L'objectif principal de l'expérience Qrocodile était de développer un SNSPD avancé, un détecteur fait de nanofils supraconducteurs qui agissent à la fois comme matériau cible (c'est-à-dire le matériau avec lequel la matière noire entrera en collision) et comme un capteur pour ramasser l'énergie émergeant des collisions. Parallèlement, Baudis, Schilling et leurs collègues voulaient étudier l'origine du taux d'événements qu'ils pouvaient observer avec leur détecteur, ce qui représente environ un compte par jour, qui pourrait provenir de rayons cosmiques, de radioactivité naturelle ou d'autres effets.
« Qrocodile utilise des SNSPD, qui sont normalement utilisés dans l'optique quantique, comme des capteurs de matière noire extrêmement sensibles », a expliqué Baudis et Schilling. « Nos appareils sont faits de micro-ondes de silicide de tungstène mince (WSI) refroidies à seulement 0,1 degrés au-dessus du zéro absolu. Dans cet état supraconducteur, les électrons forment des paires appelées paires de Cooper. »
Si même une petite quantité d'énergie, comme celle qui proviendrait d'une particule de matière noire, brise les paires de Cooper dans les nanofils, un petit «point chaud» résistif est créé. Cette perturbation produit à son tour une impulsion électrique mesurable.
« Ce qui rend cette approche puissante, c'est que la rupture d'une paire Cooper nécessite des milliers de fois moins d'énergie que les processus d'ionisation ou de scintillation utilisés dans les détecteurs traditionnels », a déclaré Baudis et Schilling. « En conséquence, nos capteurs peuvent détecter les dépôts d'énergie aussi bas que 0,1 eV, ce qui nous permet de sonder les particules de matière noire avec des masses jusqu'à des dizaines de KEV, bien plus légères que les autres expériences de détection directe qui peuvent actuellement accéder. »
Le détecteur Qrocodile est toujours au stade de la preuve de principe et n'a pas encore été utilisé pour effectuer des recherches de matière noire s'étendant sur de longues périodes. Néanmoins, les résultats du premier essai de l'équipe étaient très prometteurs, car le SNSPD a atteint un seuil d'énergie très faible pour un détecteur de matière noire (0,11 eV) et a établi de nouvelles contraintes de pointe sur la diffusion de l'électron de la matière noire jusqu'à 30 masses KeV.
« Nous avons également montré que le même appareil est sensible aux interactions avec les électrons et les noyaux, grâce au couplage phonon dans le matériau », a déclaré Baudis et Schilling. «Peut-être le plus excitant est que notre géométrie du capteur fournit naturellement une sensibilité directionnelle: le détecteur réagit différemment en fonction de la direction entrante de la particule.
« Il s'agit d'une caractéristique puissante, car un véritable signal de matière noire devrait s'aligner sur le mouvement de la Terre à travers la Voie lactée, tandis que les antécédents tels que la radioactivité ne le feraient pas. Nous pensons que l'établissement de sensibilité directionnelle à ces échelles énergétiques est une étape unique et prometteuse vers une future détection sans ambiguïté de matière noire. »
À l'avenir, l'expérience Qrocodile et le nouveau détecteur sur lequel il s'appuie pourraient contribuer aux efforts en cours visant à observer les signaux associés à la matière noire et à découvrir sa nature sous-jacente. Les chercheurs travaillent maintenant à l'amélioration de leur détecteur en augmentant la masse effective de la cible sur laquelle il s'appuie, en abaissant davantage son seuil d'énergie et en caractérisant les signaux de fond à ces énergies basse.
« Pour y parvenir, nous prévoyons de construire des capteurs de plus grande zone et d'ajuster la composition du matériau pour des performances optimales, tout en effectuant des étalonnages dédiés à faible énergie, par exemple, avec une source interne 55-FE », a ajouté Baudis et Schilling.
« Une étape majeure consistera à se déplacer sous terre au laboratoire Gran Sasso en Italie, où le blindage des rayons cosmiques devrait réduire les antécédents. Nous nous sommes déjà associés à un groupe local exploitant un cryostat de bas de dos, et les préparatifs de notre première physique souterraine sont en cours. »
Baudis, Schilling et leurs collègues espèrent que les améliorations sur lesquelles ils travaillent élargiront davantage la portée de l'expérience Qrocodile. Cela pourrait à son tour leur permettre de sonder des régions de l'espace de paramètre de matière noire claire qui n'ont pas encore été explorées.
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Gaby Clark, et vérifié et examiné par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. 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.
