Résultats de la recherche de phase II de Haystac pour les axions de matière noire

Les axions, des particules subatomiques hypothétiques qui ont été proposées pour la première fois par des physiciens théoriques à la fin des années 1970, restent parmi les candidats les plus prometteurs de la matière noire. Les théories de la physique suggèrent que les interactions entre ces particules et les matières régulières sont extrêmement faibles, ce qui les rend très difficiles à détecter en utilisant des configurations expérimentales conventionnelles.

L’expérience Haystac (Haloscope at Yale Sensitive to Axion Cold Dark Matter) est une collaboration de recherche entre Yale, Berkeley et Johns Hopkins, visant à détecter les axions en recherchant les petits signaux électromagnétiques qu’ils pourraient produire dans un champ magnétique fort.

Dans un article récent publié dans Lettres d’examen physiquela collaboration Haystac a rapporté les résultats de la recherche la plus large des axions effectués à ce jour, en utilisant une technique connue sous le nom de compression quantique, qui est conçue pour réduire le bruit quantique (c’est-à-dire, des fluctuations aléatoires qui affectent négativement les mesures de leur haloscope).

“L’axion a été introduite pour expliquer l’asymétrie de conjugaison et de parité (CP) de l’absence de charge dans la force forte, et l’idée originale de la façon de rechercher des axions est venue de Sikivie”, a déclaré Reina Maruyama, co-auteur du journal, à Phys.org. “Steve Lamoreaux a longtemps travaillé sur le fort problème du CP, à partir de son travail sur la recherche du moment dipolaire électrique permanent dans les atomes de mercure et dans les neutrons.”

À l’origine, les axions ont été introduits par les théoriciens Frank Wilczek et Steven Weinberg pour expliquer la symétrie inverse dans le temps dans les forces nucléaires fortes. Finalement, cependant, ils sont également devenus un candidat possible pour la matière noire, le type de matière insaisissable qui n’interagit que faiblement avec le rayonnement électromagnétique et qui expliquera pourtant la majeure partie de la masse de l’univers.

“Théoriquement, il y a un paramètre de nombre pur (thêta, la lettre grecque) qui définit le niveau d’asymétrie d’inversion de temps, et il peut en principe être à peu près n’importe quoi, mais sa valeur est inférieure à 0,0000000001 (10 (10^-10) Comme limité principalement par le moment dipolaire électrique à neutrons “, a déclaré Steve Lamoreaux, co-auteur du journal.

“L’asymétrie inverse du temps est cependant observée dans la désintégration des mésons” étranges “, alors pourquoi il devrait être si petit dans la force nucléaire est un mystère qui est résolu par l’axion (au sens collectif). Pierre Sikivie semble être le premier à apprécier de manière très faible avec la matière ou un électromagnique de matière sombre.

La prise de conscience que les axions lumineuses pouvaient saturer la densité de matière de l’univers ont été rapportées presque simultanément par trois groupes de recherche distincts. Le premier était dirigé par Sikivie et Lou Abbott, le second de Michael Dine et Willy Fischler, et le troisième de John Preskill, Mark Wise et Frank Wilczek.

Peu de temps après l’introduction de l’idée que les axions pourraient être un candidat de la matière noire, cependant, Sikivie a également décrit le concept d’un détecteur d’axion de la matière noire de halo galactique “haloscope”, un instrument qui s’appuie sur une cavité micro-ondes placée dans un champ magnétique très fort. Ce champ magnétique devrait provoquer la conversion des axions en photons à des fréquences radio ou micro-ondes, ce qui permettrait à son tour leur détection directe, bien que les signaux associés soient très faibles.

“Il y a quinze ans, il nous a semblé que si les expériences de cavité micro-ondes de type sikivie faisaient de bons progrès, améliorant la sensibilité dans la gamme Gigahertz, ce qui était nécessaire était un effort d’avant-garde pour ouvrir la gamme de masse plus élevée vers l’axion post-inflation”, a déclaré Karl Van Bibber, co-authentification. “L’expérience de Haystac a été conçue comme un Pathfinder et un lit d’essai d’innovation pour de nouveaux concepts d’amplificateurs et de résonateurs à des fréquences toujours plus élevées. Cela nécessiterait que nous restions une petite expérience agile.”

À mesure que les fréquences augmentaient, les défis ont été rencontrés lors de la tentative de détection des axions avec des haloscopes. Par exemple, des fréquences plus élevées impliquent également une réduction du volume de la cavité de conversion et une densité plus faible des axions pour une masse de halo donnée par volume unitaire.

Dans la phase II de leur expérience, les chercheurs ont utilisé des technologies de mesure quantique et ont utilisé la compression quantique pour améliorer leur sensibilité. Jusqu’à présent, Haystac est l’une des deux expériences dans le monde, ainsi que l’effort de recherche plus vaste Advanced Ligo, qui reposait sur la compression quantique pour stimuler la sensibilité des outils de mesure.

La collaboration Haystac a également intégré les réfrigérateurs de dilution externe sans cryogène dans leur configuration, qui n’ont pas été utilisés lors des recherches antérieures sur axion. La compression quantique et les réfrigérateurs de dilution leur ont permis de réduire les coûts financiers associés à la construction de leur haloscope et à l’exploitation.

Bien qu’ils ne détectent aucun signal pouvant être lié aux axions, l’équipe a pu rechercher un plus grand espace de paramètres. À l’avenir, ils prévoient de continuer à améliorer l’équipement Haystac et à poursuivre leur recherche d’axion de la matière noire, tout en travaillant sur d’autres recherches de matière noire à l’aide de haloscopes et d’équipements à Yale.

“Nous avons plusieurs idées sur la poussée de l’expérience pour rechercher des axions avec des masses plus élevées, et nous travaillons sur plusieurs idées inspirées de la technologie quantique pour améliorer les techniques de détection”, a déclaré Danielle Speller, co-auteur du journal.

“L’expérience alpha est une extension naturelle, tout comme la détection de photons uniques avec les atomes de Rydberg, et l’amélioration de la détection, que nous appelons le cessez-le-feu, décrite dans cet article. Résonateurs à base de métamatériaux, sur lesquels nous travaillons. “

L’expérience Alpha est une collaboration de recherche plus importante visant à détecter les axions avec des masses significativement plus grandes, en particulier dans le régime de masse d’axe post-inflation. Cette expérience s’appuiera sur un instrument différent connu sous le nom de haloscope plasmatique, qui est actuellement en cours de construction à Yale.

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