Les scientifiques ont fait preuve d’une sensibilité remarquable dans la recherche d’hypothétiques photons sombres grâce à l’expérience Dark SRF. Ils ont utilisé des cavités supraconductrices à radiofréquence (SRF) pour piéger des photons réguliers et étudier leur transformation en photons sombres. Cette étude a permis de limiter de la manière la plus stricte qui soit l’existence de photons sombres dans une fourchette de masse spécifique. (Concept d’artiste.)
L’expérience Dark SRF au Laboratoire national de l’accélérateur Fermi a atteint une sensibilité sans précédent dans la recherche d’hypothétiques photons sombres. Grâce à l’utilisation innovante de cavités supraconductrices à radiofréquence (SRF), les chercheurs peuvent désormais explorer différentes gammes de masse potentielle pour ces particules insaisissables, repoussant ainsi les limites de notre compréhension de la matière noire.
Les scientifiques travaillant sur l’expérience Dark SRF au Fermi National Accelerator Laboratory du ministère américain de l’énergie ont démontré une sensibilité sans précédent dans un dispositif expérimental utilisé pour rechercher des particules théoriques appelées photons sombres.
Les chercheurs ont piégé des photons ordinaires sans masse dans des dispositifs appelés cavités supraconductrices à radiofréquence afin d’observer la transition de ces photons vers leurs homologues supposés du secteur sombre. L’expérience a permis d’établir la meilleure contrainte au monde sur l’existence de photons sombres dans une gamme de masse spécifique, comme cela a été récemment publié dans Physical Review Letters.
« Le photon sombre est une copie similaire au photon que nous connaissons et aimons, mais avec quelques variations », a déclaré Roni Harnik, chercheur au Centre des matériaux et systèmes quantiques supraconducteurs du Fermilab et co-auteur de cette étude.
L’expérience Dark SRF a démontré une sensibilité sans précédent en utilisant deux cavités SRF comme composants clés de l’expérience. Crédit : Reidar Hahn, Fermilab
La lumière qui nous permet de voir la matière ordinaire de notre monde est constituée de particules appelées photons. Mais la matière ordinaire ne représente qu’une petite fraction de toute la matière. Notre univers est rempli d’une substance inconnue appelée matière noire, qui représente 85 % de toute la matière. Le modèle standard qui décrit les particules et les forces connues est incomplet.
Dans la version la plus simple des théoriciens, un seul type de particule de matière noire non découvert pourrait expliquer toute la matière noire de l’univers. Mais de nombreux scientifiques soupçonnent que le secteur obscur de l’univers comporte de nombreuses particules et forces différentes ; certaines d’entre elles pourraient avoir des interactions cachées avec les particules et les forces de la matière ordinaire.
Tout comme l’électron a des copies qui diffèrent à certains égards, notamment le muon et le tau, le photon sombre serait différent du photon ordinaire et aurait une masse. En théorie, une fois produits, les photons et les photons sombres pourraient se transformer l’un en l’autre à un rythme spécifique défini par les propriétés du photon sombre.
Utilisation innovante des cavités SRF
Pour rechercher des photons sombres, les chercheurs réalisent un type d’expérience appelé « expérience de passage de la lumière à travers les murs ». Cette approche utilise deux cavités métalliques creuses pour détecter la transformation d’un photon ordinaire en un photon de matière noire. Les scientifiques stockent des photons ordinaires dans une cavité et laissent l’autre cavité vide. Ils recherchent ensuite l’émergence de photons dans la cavité vide.
Les chercheurs du Fermilab du centre SQMS ont des années d’expérience dans l’utilisation des cavités SRF, qui sont principalement utilisées dans les accélérateurs de particules. Les chercheurs du SQMS Center ont maintenant utilisé les cavités SRF à d’autres fins, telles que l’informatique quantique et la recherche de matière noire, en raison de leur capacité à stocker et à exploiter l’énergie électromagnétique avec une grande efficacité.
Autour de l’expérience Dark SRF, de gauche à droite, Anna Grassellino, directrice du centre SQMS, Roni Harnik, responsable de l’axe scientifique du SQMS, et Alexander Romanenko, responsable de l’axe technologique du SQMS. Crédit : Reidar Hahn, Fermilab
« Nous cherchions d’autres applications pour les cavités supraconductrices de radiofréquence, et j’ai appris l’existence de ces expériences où l’on utilise deux cavités en cuivre côte à côte pour tester la lumière à travers le mur », a déclaré Alexander Romanenko, responsable de l’axe technologique quantique du centre SQMS. « Il m’est immédiatement apparu que nous pouvions faire preuve d’une plus grande sensibilité avec les cavités SRF qu’avec les cavités utilisées dans les expériences précédentes ».
Cette expérience constitue la première démonstration de l’utilisation de cavités SRF pour réaliser une expérience de passage de lumière à travers un mur.
Les cavités SRF utilisées par Romanenko et ses collaborateurs sont des morceaux creux de niobium. Lorsqu’elles sont refroidies à très basse température, ces cavités stockent très bien les photons, c’est-à-dire les paquets d’énergie électromagnétique. Pour l’expérience Dark SRF, les scientifiques ont refroidi les cavités SRF dans un bain d’hélium liquide à une température d’environ 2 K, proche du zéro absolu.
À cette température, l’énergie électromagnétique circule sans effort à travers le niobium, ce qui rend ces cavités efficaces pour stocker les photons.
« Nous avons mis au point différents schémas pour tenter de gérer les nouvelles possibilités et les nouveaux défis qu’offrent ces cavités supraconductrices de très haute qualité pour cette expérience de passage de la lumière à travers les murs », a déclaré Zhen Liu, coauteur de l’étude et membre de l’équipe de physique et de détection du centre SQMS de l’université du Minnesota.
Les chercheurs peuvent désormais utiliser des cavités SRF avec différentes fréquences de résonance pour couvrir différentes parties de la plage de masse potentielle des photons sombres. En effet, le pic de sensibilité sur la masse du photon sombre est directement lié à la fréquence des photons réguliers stockés dans l’une des cavités SRF.
« L’équipe a effectué de nombreux suivis et recoupements de l’expérience », a déclaré Liu, qui a travaillé sur l’analyse des données et la conception de la vérification. « Les cavités SRF ouvrent de nombreuses nouvelles possibilités de recherche. Le fait que nous ayons couvert de nouvelles régions de paramètres pour la masse du photon sombre montre leur succès, leur compétitivité et leur grande promesse pour l’avenir. »
« L’expérience Dark SRF a ouvert la voie à une nouvelle catégorie d’expériences en cours d’exploration au centre SQMS, où ces cavités à très haut Q sont utilisées comme détecteurs extrêmement sensibles », a déclaré Anna Grassellino, directrice du centre SQMS et co-PI de l’expérience. « De la matière noire à la recherche d’ondes gravitationnelles, en passant par les tests fondamentaux de la mécanique quantique, ces cavités à l’efficacité la plus élevée au monde nous aideront à découvrir les indices d’une nouvelle physique ».
Référence : « Search for Dark Photons with Superconducting Radio Frequency Cavities » par A. Romanenko, R. Harnik, A. Grassellino, R. Pilipenko, Y. Pischalnikov, Z. Liu, O. S. Melnychuk, B. Giaccone, O. Pronitchev, T. Khabiboulline, D. Frolov, S. Posen, S. Belomestnykh, A. Berlin et A. Hook, 26 juin 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.261801