Étudie de nouveau les nouvelles contraintes sur le mélange cinétique des photons cachés de la matière noire.
13 juillet 2023 fonctionnalité
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corrigé par Ingrid Fadelli, Phys.org
Comme la matière noire est composée de particules qui n'absorbent, n'émettent ou ne réfléchissent pas la lumière, elle ne peut pas être observée directement avec les méthodes utilisées pour observer la matière conventionnelle. Ces dernières années, les astrophysiciens du monde entier ont donc mis au point des méthodes qui pourraient aider à détecter ce type de matière insaisissable.
Des chercheurs du California Institute of Technology ont récemment établi de nouvelles contraintes de détection directe sur la matière noire des photons cachés ou des photons sombres, un candidat de matière noire qui serait hypothétiquement en interaction faible avec les photons ordinaires (lumière). Leur article, publié dans Physical Review Letters, présente une nouvelle approche pour rechercher des photons cachés.
« La sensibilité d'une expérience de matière noire des photons cachés dépend de l'intensité du signal de matière noire par rapport au plus petit signal que vous pouvez détecter », a déclaré Nikita Klimovich, l'un des chercheurs ayant mené l'étude, à Phys.org. « Pour les recherches sur les photons cachés, l'amplitude du signal de matière noire augmente avec la surface du récipient en métal utilisé, tandis que le niveau minimal de signal détectable est largement déterminé par le niveau de bruit des amplificateurs utilisés pour lire l'antenne. »
Le récent travail de Klimovich et de ses collègues s'appuie sur des recherches passées sur la matière noire cachée, telles que l'expérience SHUKET. L'expérience SHUKET est un effort de recherche ambitieux visant à détecter la matière noire ultra-légère à l'aide d'un télescope électromagnétique.
« Les recherches précédentes qui ont inspiré ce travail, comme l'expérience SHUKET, visaient généralement à maximiser l'intensité du signal en utilisant un très grand récipient tout en utilisant les meilleurs amplificateurs à faible bruit disponibles commercialement auxquels ils avaient accès », a expliqué Klimovich.
« Karthik Ramanathan a réalisé que nous avions le potentiel d'adopter une approche inverse. »
« En utilisant des amplificateurs limités par la quantique que je développais et en réalisant toute l'expérience à des températures de milliKelvin, nous pourrions réduire significativement les niveaux de signal minimaux que nous pourrions détecter par rapport à d'autres expériences utilisant une technologie de bruit basse (mais pas limitée par la quantique) disponible dans le commerce »,
L'approche proposée par l'équipe pour rechercher les photons cachés présente un inconvénient majeur. En particulier, le peu d'espace disponible à l'intérieur d'un cryostat limiterait considérablement la taille du récipient qu'ils pourraient utiliser, ce qui entraînerait un signal brut significativement inférieur à celui détecté par d'autres expériences, y compris SHUKET.
Néanmoins, Klimovich, Ramanathan et leurs collègues espéraient que la sensibilité accrue de la mesure obtenue selon leur méthode compenserait cette limitation, leur permettant d'établir de nouvelles limites pour la détection des photons sombres. Dans leurs expériences, ils ont essentiellement examiné le signal émis par un récipient métallique sphérique, le comparant à celui d'une charge de référence.
« Si un photon caché existait avec une masse correspondant à la plage de fréquences à laquelle nous étions sensibles, nous devrions voir une petite augmentation du pouvoir provenant du récipient par rapport à la référence », a déclaré Klimovich. « Parce que nous n'avons pas observé un tel signal, nous avons pu établir une nouvelle limite supérieure pour le couplage d'une particule de photon caché de ce type avec le champ électromagnétique, basée sur le plus petit niveau de signal que nous aurions été en mesure de détecter. »
En utilisant leur approche proposée, les chercheurs ont pu introduire de nouvelles contraintes strictes sur la détection directe des photons cachés. Bien qu'ils n'aient jusqu'à présent pas détecté ce candidat à la matière noire, ils espèrent que leur approche sera utilisée pour effectuer de nouvelles recherches, contribuant ainsi à sa détection.
« Outre les nouvelles limites établies pour la détection, nous avons démontré une approche très accessible pour les expériences sur les photons cachés à l'avenir », a ajouté Klimovich.
« Une recherche sur la matière noire de type QUALIPHIDE serait une expérience bon marché et relativement simple pour la plupart des groupes de recherche ayant accès à des amplificateurs limités par la quantique. Nous espérons utiliser une méthode similaire à la fois pour rechercher des photons cachés à des fréquences plus élevées (où les contraintes actuelles sur le couplage des photons cachés sont plus faibles) et pour améliorer la configuration afin de détecter d'autres types de matière noire tels que les axions. »
Plus d'informations: K. Ramanathan et al, Wideband Direct Detection Constraints on Hidden Photon Dark Matter with the QUALIPHIDE Experiment, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.231001
Journal information: Physical Review Letters
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