On pense qu'environ 80% de la masse de l'univers consiste en matière noire. Pourtant, on sait peu de choses sur la composition et la structure des particules qui composent la matière noire, présentant les physiciens des questions fondamentales. Pour explorer cette matière insaisissable, les chercheurs tentent de capturer des photons ou des particules légères, qui sont produites lorsque les particules de matière noire entrent en collision avec la matière visible que nous connaissons.
La plupart des expériences à ce jour se sont concentrées sur les particules de matière noire avec des masses qui se chevauchent plus ou moins avec celles des particules élémentaires connues. Si les particules sont plus légères qu'un électron, cependant, il est peu probable qu'elles soient détectables avec la norme actuelle, à savoir les détecteurs basés sur du xénon liquide. Jusqu'à présent, aucune expérience n'a réussi à détecter directement la matière noire. Pourtant, cela en soi est une découverte importante, car cela montre que les particules de matière noire n'existent pas dans la plage de masse et la force d'interaction testées.
Nouvel appareil sensible aux événements à faible énergie
Une équipe internationale dirigée par Laura Baudis, Titus Neupert, Björn Penning et Andreas Schilling du département de physique de l'UZH ont maintenant pu sonder l'existence de particules de matière noire sur une large gamme de masse en dessous d'une méga électronique Volt (MEV). En utilisant un détecteur à photon unique supraconducteur amélioré (SNSPD), les chercheurs ont atteint un seuil de sensibilité d'environ un dixième de la masse d'un électron, au-dessus desquels les particules de matière noire sont très peu probables d'exister.
Les résultats sont publiés dans la revue Lettres d'examen physique.
« C'est la première fois que nous recherchons des particules de matière noire dans une gamme de masse aussi faible, rendue possible par une nouvelle technologie de détection », explique le premier auteur Baudis.
Dans une preuve de concept en 2022, les chercheurs avaient testé le premier appareil SNSPD très sensible aux photons à faible énergie. Lorsqu'un photon frappe le nanofil, il le chauffe légèrement et le fait perdre instantanément sa supraconductivité. Le fil devient brièvement un conducteur régulier et l'augmentation qui en résulte de la résistance électrique peut être mesurée.
Détecter les plus petites particules de matière noire
Pour leur dernière expérience, les scientifiques de l'UZH ont optimisé leur SNSPD pour la détection de matière noire. En particulier, ils l'ont équipé de micro-ondes supraconductrices au lieu de nanofils pour maximiser sa section transversale. Ils lui ont également donné une mince géométrie plane qui le rend très sensible aux changements de direction. Les scientifiques supposent que la Terre passe par un «vent» de particules de matière noire, et la direction de la particule se déplace donc au cours de l'année en fonction de la vitesse relative. Un appareil capable de récupérer des modifications directionnelles peut aider à filtrer les événements non démunis.
« D'autres améliorations technologiques du SNSPD pourraient nous permettre de détecter les signaux des particules de matière noire avec des masses encore plus petites. Nous voulons également déployer le système sous terre, où il sera mieux protégé par d'autres sources de rayonnement », explique Titus Neupert. Au-dessous de la gamme de masse d'électrons, les modèles actuels pour décrire la matière noire font face à des contraintes astrophysiques et cosmologiques considérables.
