Alors que de nombreux groupes de recherche dans le monde ont recherché des matières noires au cours des dernières décennies, la détection s'est jusqu'à présent révélée très difficile, il est donc très peu connu sur sa composition possible et ses propriétés physiques. Deux candidats prometteurs de matière noire (c'est-à-dire, des particules hypothétiques dont la matière noire pourrait être faite) sont les axions et les photons sombres.
L'expérience de disque magnétisé et de miroir (Madmax) est un grand effort de recherche visant à détecter les axions ou les photons sombres en utilisant un instrument sophistiqué composé d'une pile de disques saphir et d'un miroir réfléchissant. Dans un article récent publié dans Lettres d'examen physiquela collaboration Madmax a publié les résultats de la première recherche de photons sombres effectués à l'aide d'un prototype de leur détecteur.
« Le principal objectif de Madmax est de détecter la matière noire sous la forme d'axions ou de photons sombres », a déclaré Jacob Mathias Egge, premier auteur du journal, à Issues.fr. « Ces deux particules hypothétiques sont des candidats populaires à ce que pourrait composer de la matière noire. Dans notre article récent, nous décrivons les résultats d'une recherche de photons sombres en utilisant un prototype à petite échelle. »
Par rapport à la plupart des recherches précédentes et en cours de matière noire, Madmax s'appuie sur un autre type de détecteur. Un objectif clé des travaux récents des chercheurs impliqués dans l'expérience a donc été de confirmer que le détecteur qu'ils utilisent fonctionne réellement et peut être utilisé pour rechercher des axions et des photons sombres.
« Les photons sombres sont essentiellement des cousins plus lourds des photons sans masse (c'est-à-dire des particules de lumière) », a expliqué Egge. « En conséquence, les photons sombres du halo de la matière noire qui nous entourent peuvent convertir spontanément (mais très rarement) en photons ordinaires avec une fréquence qui dépend de la masse de photons sombres inconnus. Dans notre cas, nous avons essayé de détecter ces photons excédentaires avec une fréquence autour de 20 GHz. »
La configuration expérimentale utilisée par les chercheurs est conçue pour stimuler d'abord la conversion entre les photons sombres et les photons ordinaires à l'aide d'un résonateur. Ce résonateur a un design unique caractérisé par une pile de disques diélectriques parallèles.
Un avantage de la conception de l'équipe est qu'il permet la création de résonateurs qui sont beaucoup plus grands que la longueur d'onde des photons sombres convertis. Il s'agit d'une différence notable par rapport aux instruments développés précédemment, qui ne peuvent souvent que sonder des fréquences significativement inférieures.
« Un système de récepteur micro-ondes mesure ensuite la puissance sortant de cette pile diélectrique », a déclaré Egge. « Un signal de photon sombre apparaîtrait comme une oscillation constante avec une fréquence bien définie au milieu du bruit aléatoire du rayonnement thermique du corps noir. Dans l'espace de Fourier, il s'agit d'un pic étroit au-dessus d'une ligne de base bruyante, ce que nous avons finalement recherché.
Bien que la première recherche de photons sombres réalisés à l'aide du prototype Madmax n'ait acquis aucun signal qui pourrait être lié à ces particules insaisissables, il a démontré le potentiel de l'expérience elle-même. En fait, même avec un prototype à petite échelle, les chercheurs ont pu ramasser des signaux avec une sensibilité qui était près de trois ordres de grandeur supérieure à celle atteinte dans les expériences précédentes, tout en couvrant également un grand espace de paramètres inexploré dans une seule course expérimentale.
« Étant donné que le concept de détecteur de base s'est avéré fonctionner, nous pouvons désormais facilement élargir notre portée dans les prochaines itérations améliorées, augmentant nos chances de détection », a ajouté Egge. « Les prochaines grandes mises à niveau pour Madmax sont déjà en cours. Nous nous préparons à refroidir toute la configuration à 4 K, ce qui réduira considérablement le bruit thermique.
« Ensuite, nous augmenterons progressivement la taille du résonateur, ce qui stimule un signal potentiel de matière noire, en utilisant plus de disques et en augmentant également leur taille. En déplaçant précisément les disques, nous pouvons régler la fréquence de résonance et élargir la plage de masse dans laquelle nous sommes sensibles. »
Dans leurs futures expériences, les chercheurs prévoient d'exploiter le détecteur Madmax dans un champ magnétique fort, car cela leur permettrait de rechercher simultanément des photons et des axions sombres. En fin de compte, leurs expériences pourraient aider à établir de nouvelles contraintes sur les masses de ces deux candidats de la matière noire, contribuant potentiellement à leur détection.
