Une étude démontre une nouvelle méthode pour rechercher des photons noirs meV

Une étude démontre une nouvelle méthode pour rechercher des photons noirs meV

(À gauche) Réfrigérateur à dilution utilisé pour obtenir un cyclotron quantique à un seul électron sans bruit de fond. (En haut à droite) Piège de Penning en argent à l’intérieur duquel l’électron unique sera suspendu. (En bas à droite) démonstration de la résolution des états quantiques du cyclotron. Un micro-ondes est appliqué pour induire la transition. Crédit : Xing Fan.

Environ 85 % de la masse de notre galaxie est constituée de matière noire, une matière qui n’émet, n’absorbe ni ne réfléchit la lumière et ne peut donc pas être observée directement. Alors que plusieurs études ont fait allusion ou théorisé sur sa composition, il reste l’un des plus grands problèmes de physique non résolus.

Des physiciens du monde entier ont mené des recherches sur la matière noire ou essayé de trouver de nouvelles méthodes pour observer directement différents candidats à la matière noire. Une forme hypothétique de matière noire qui a jusqu’à présent échappé à la détection est la matière noire à photons noirs.

Une possibilité intrigante est que la matière noire est composée de photons noirs, qui ressemblent à des photons (c’est-à-dire les particules qui composent la lumière visible), mais interagissent avec des charges de faible force. Ces photons noirs pourraient théoriquement avoir des masses de l’ordre du milliélectrovolt, environ un million de fois plus légères que celles des électrons et donc notoirement difficiles à détecter.

Des chercheurs de l’Université Northwestern, de l’Université de Stanford et du Fermilab ont récemment introduit une nouvelle méthode qui pourrait être utilisée pour rechercher des photons noirs meV. La validité de la méthode, décrite dans un article publié dans Lettres d’examen physiquea été démontré dans un court essai de preuve de principe, qui a également aidé à établir de nouvelles contraintes sur la matière noire à photons noirs.

“L’idée de notre étude est née de discussions entre expérimentateurs et théoriciens facilitées par le DOE SQMS Center”, a déclaré Gabriel Gabrielse, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org. “Chez Northwestern, nous recherchions des applications BSM pour un détecteur inhabituel à un électron sans bruit de fond. Nous avions développé le nouveau détecteur pour mesurer l’électron moment dipolaire électrique et tester la prédiction la plus précise du modèle standard.”

Une étude démontre une nouvelle méthode pour rechercher des photons noirs meV

Un photon noir entrant et excitant un électron à un état excité supérieur. Crédit : Harikrishnan Ramani.

Après avoir pris connaissance des travaux menés par Gabrielse et ses collègues de Northeastern, une équipe de physiciens théoriciens de Stanford a contacté et souligné le potentiel de leur détecteur pour effectuer des recherches de photons noirs meV. Cela a déclenché une série d’interactions et de collaborations entre les deux groupes de recherche, dont Roni Harnik, théoricien au Fermilab.

La nouvelle méthode introduite par les chercheurs est basée sur l’utilisation d’électrons piégés comme résonateurs à Q élevé pour détecter la matière noire des photons noirs meV. Son hypothèse sous-jacente est que lorsque l’énergie au repos d’un photon noir correspond à la séparation d’énergie des deux niveaux de cyclotron les plus bas, le premier état du cyclotron à électrons sera excité.

“Si un photon noir meV entre dans le piège dans lequel un électron unique est suspendu, alors l’électron peut être excité de l’état fondamental au premier état excité de son mouvement de cyclotron », a expliqué Gabrielse. « Il n’y a pas de bruit de fond et l’excitation unique d’un seul électron piégé peut être détectée sans ambiguïté. Ne pas voir de telles excitations pendant plusieurs jours nous a permis de fixer une limite à la force du champ de photons noirs qui les traversait, sur la base de calculs théoriques de l’efficacité avec laquelle un photon noir pourrait produire une telle excitation.”

Pour démontrer le caractère pratique de leur méthode proposée, Gabrielse et ses collègues l’ont utilisée pour collecter une mesure initiale, en utilisant un seul électron. Cet essai a montré que leur stratégie était sans arrière-plan pour une recherche qui a duré un peu plus de 7 jours.

Les chercheurs ont également pu fixer une nouvelle limite à l’obscurité photon matière noire, plus précisément à 148 GHz (0,6 meV). À l’avenir, leurs travaux pourraient ouvrir la voie à de nouvelles études visant à évaluer et à utiliser leur stratégie proposée pour rechercher des photons noirs meV.

“La réalisation la plus notable de notre travail est la démonstration concrète d’une toute nouvelle méthode de recherche de meV matière noire“, a ajouté Gabrielse. “Nous prévoyons maintenant de faire une vaste recherche de photons noirs meV dans un appareil conçu à cet effet. L’appareil dans lequel la mesure de démonstration a eu lieu a été optimisé pour les mesures de moment magnétique électronique à bande étroite, tandis que le nouvel appareil et les nouvelles idées que nous développons permettront de larges recherches.”

Plus d’information:
Xing Fan et al, Cyclotron quantique à un électron en tant que détecteur de photons noirs Milli-eV, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.129.261801

© 2023 Réseau Science X

Citation: Une étude démontre une nouvelle méthode pour rechercher des photons noirs meV (2023, 25 janvier) récupéré le 26 janvier 2023 sur https://phys.org/news/2023-01-method-mev-dark-photons.html

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