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Des chercheurs suggèrent de réutiliser des capteurs de table pour rechercher de la matière noire

Crédit: CC0 Public Domain

Les scientifiques sont sûrs que la matière noire existe. Cependant, après plus de 50 ans de recherche, ils avaient encore des preuves directes de la substance mystérieuse.


Swati Singh de l’Université du Delaware fait partie d’un petit groupe de chercheurs de la communauté de la matière noire qui commencent à se demander s’ils recherchent le bon type de matière noire.

« Et si la matière noire est beaucoup plus légère que ce que recherchent les expériences traditionnelles de physique des particules? » Dit Singh, professeur assistant de génie électrique et informatique à UD.

Désormais, Singh, Jack Manley, doctorant à l’Université DVD, et des collaborateurs de l’Université d’Arizona et du Haverford College ont proposé une nouvelle façon de rechercher des particules susceptibles de former de la matière noire en réutilisant la technologie de détection de tablette existante. L’équipe a récemment rapporté son approche dans un article publié dans Lettres d’examen physique.

Les co-auteurs de l’article sont Dalziel Wilson, professeur agrégé de sciences optiques de l’Arizona, Mitul Dey Chowdhury, doctorant à l’Arizona State, et Daniel Grin, professeur agrégé de physique au Haverford College.

Rien n’est normal

Singh a expliqué que si vous collectez toutes les choses qui émettent de la lumière, telles que les étoiles, les planètes et le gaz interstellaire, cela ne représente qu’environ 15% de la matière dans l’univers. Les 85% restants sont connus sous le nom de matière noire. Il n’émet pas de lumière, mais les chercheurs savent qu’il existe grâce aux effets de la gravité. Ils savent aussi que ce n’est pas de la matière ordinaire, comme le gaz, la poussière, les étoiles, les planètes et nous.

« Cela pourrait être constitué de trous noirs, ou il pourrait s’agir de quelque chose de trillions de fois plus petit qu’un électron, connu sous le nom de matière très sombre », a déclaré Singh, une théoricienne quantique connue pour ses efforts pionniers pour faire avancer la matière noire mécanique. faire apparaître.

Une possibilité est que la matière noire soit composée de photons noirs, un type de matière noire qui exercerait une faible force vibratoire sur la matière ordinaire, provoquant un mouvement de va-et-vient de la particule. Cependant, comme la matière noire est omniprésente, elle exerce cette force sur tout, ce qui rend ce mouvement difficile à mesurer.

Singh et ses collègues ont déclaré qu’ils pensaient pouvoir surmonter cet obstacle en utilisant des accéléromètres mécaniques optiques comme capteurs pour détecter et amplifier cette oscillation.

« Si la force dépend du matériau, en utilisant deux objets faits de matériaux différents, la quantité qui leur sera imposée sera différente, ce qui signifie que vous pourrez mesurer cette différence d’accélération entre les deux matériaux », a déclaré Manley, président de le papier. auteur.

Wilson, un expert expérimental quantique et l’un des collaborateurs de l’équipe UD, a comparé un accéléromètre optique-mécanique à un diapason miniature. « C’est un appareil vibratoire qui, en raison de sa petite taille, est très sensible aux perturbations environnementales », a-t-il déclaré.

Désormais, les chercheurs ont proposé une expérience utilisant une membrane en nitrure de silicium et un miroir fixe en béryllium pour faire rebondir la lumière entre les deux surfaces. Si la distance entre les deux matériaux changeait, les chercheurs sauraient grâce à la lumière réfléchie que des photons sombres étaient présents car le silicium et le nitrure de béryllium avaient des propriétés physiques différentes.

La collaboration a été un élément clé du développement de la conception de l’expérience, selon Manley. Lui et Singh (les théoriciens) ont travaillé avec Wilson et Dai Choudhury (expérimentateurs) sur les calculs théoriques qui sont entrés dans le plan détaillé pour la construction du capteur d’accélération de table proposé. Pendant ce temps, le cosmologiste Green a aidé à faire la lumière sur des aspects de la physique des particules de la matière noire extrêmement claire, comme pourquoi elle est si légère, pourquoi elle pourrait se lier différemment à la matière et comment elle pourrait être produite.

En tant que théoricien, Manley a déclaré que l’opportunité d’en apprendre davantage sur le fonctionnement des appareils et la façon dont les expérimentateurs construisent des choses pour prouver que les théories que lui et Singh ont développées ont approfondi son expérience tout en élargissant simultanément son exposition à des cheminements de carrière potentiels.

Détecter la matière noire

Jack Manley (à gauche) est doctorant à l’Université DVD et Swati Singh est professeur adjoint au Département de génie électrique et informatique du College of Engineering. Crédit: Evan Crippe, photomontage de Geoffrey C.Chase

Une gamme de travail croissante

Plus important encore, ces derniers travaux sont basés sur des recherches précédemment publiées par les équipes collaboratrices, qui ont été rapportées l’été dernier dans Lettres d’examen physique. L’article, qui comprenait les contributions d’un ancien étudiant diplômé de l’Université de Californie, Russell Stamp, a montré que de nombreux appareils à l’échelle actuelle de laboratoire à proximité sont suffisamment sensibles pour détecter ou exclure des particules potentielles qui pourraient être de la matière noire très claire.

La recherche a révélé que certains types de matière noire extrêmement claire pouvaient se lier ou s’accoupler avec la matière naturelle d’une manière qui provoquerait un changement cyclique de la taille des atomes. Bien qu’il puisse être difficile de remarquer de petites fluctuations dans la taille d’un seul atome, l’effet est amplifié dans un objet composé de nombreux atomes, et une amplification supplémentaire peut être obtenue si cet objet résonne acoustiquement. La collaboration a évalué les performances de plusieurs résonateurs constitués d’une variété de matériaux allant de l’hélium ultra-fluide au saphir monocristallin, et a découvert que ces capteurs pouvaient être utilisés pour détecter le signal de stress causé par la matière noire.

Les deux projets ont été soutenus en partie par le financement de Singh de la National Science Foundation pour explorer les idées émergentes sur l’utilisation de dispositifs quantiques de pointe pour découvrir des phénomènes astrophysiques à l’aide de technologies de bureau plus petites et moins coûteuses que d’autres méthodes.

Ensemble, dit Singh, ces articles élargissent le travail sur ce que l’on sait des méthodes possibles de détection de la matière noire et suggèrent la possibilité d’une nouvelle génération d’expériences sur table.

Singh et Manley travaillent également avec d’autres groupes expérimentaux pour développer des capteurs supplémentaires sur la table pour rechercher une telle matière noire ou d’autres signaux astrophysiques faibles. Ils développent également activement des discussions plus larges sur ce sujet au sein Matière noire Et les sociétés de capteurs quantiques.

Par exemple, Singh a récemment discuté des développements de dispositifs transformationnels dans les détecteurs de physique des particules dans un atelier hypothétique organisé par le Comité de coordination CPAD du Département de l’énergie. Ces résultats ont également été présentés lors d’un atelier spécial lors de la réunion d’avril de l’American Physical Society.

«C’est une période passionnante et j’apprends beaucoup de questions que des scientifiques de divers horizons ont posées dans de tels ateliers», a déclaré Singh. « Mais il est intéressant de noter que mes idées de recherche les plus originales proviennent toujours de questions posées par des étudiants curieux. »


Recherche de matière noire numérique à l’aide de résonateurs mécaniques intégrés


Plus d’information:
Jack Manley et coll. Recherche du vecteur de matière noire à l’aide d’un accéléromètre mécanique optique, Lettres d’examen physique (2021). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.061301

Introduction de
Université du Delaware

la citation: Des chercheurs proposent de réutiliser des capteurs de bureau pour rechercher de la matière noire (2021, 5 mai) Extrait le 5 mai 2021 de https://phys.org/news/2021-05-repurposing-tabletop-sensors-dark.html

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