Les scientifiques britanniques s’apprêtent à percer les secrets de la matière noire, une énigme qui fascine la communauté scientifique depuis des décennies. Des détecteurs de pointe, exploitant les technologies quantiques les plus avancées, sont en cours de développement pour tenter de capturer l’insaisissable.
La matière noire, composante mystérieuse de l’univers, représente environ 80% de la matière totale. Bien qu’invisible à l’œil nu, son influence gravitationnelle est observée par les astronomes. Des particules de matière noire traverseraient constamment nos corps, potentiellement à raison de milliards par seconde.
Malgré de nombreuses tentatives, les expériences menées jusqu’à présent n’ont pas réussi à détecter directement la matière noire. Les chercheurs sont donc contraints de redoubler d’efforts et d’ingéniosité pour percer ses secrets.
Une collaboration scientifique d’envergure
Des équipes de recherche issues de l’Université de Lancaster, de l’Université d’Oxford et du Royal Holloway de l’Université de Londres unissent leurs forces pour relever ce défi. Leur projet, intitulé «Une vision quantique de l’univers invisible», est présenté lors de l’exposition scientifique estivale de la Royal Society, du 2 au 7 juillet 2024.
Parmi les chercheurs impliqués figurent le Dr Michael Thompson, le Professeur Edward Laird, le Dr Dmitry Zmeev et le Dr Samuli Autti de Lancaster, le Professeur Jocelyn Monroe d’Oxford et le Professeur Andrew Casey du RHUL.
Le Dr Autti, chercheur EPSRC, a indiqué : «Nous utilisons des technologies quantiques à des températures ultra-basses pour construire les détecteurs les plus sensibles à ce jour. L’objectif est d’observer directement en laboratoire cette matière mystérieuse et de résoudre l’une des plus grandes énigmes de la science.»
Deux types de particules sont particulièrement ciblés par les chercheurs : des particules nouvelles aux interactions très faibles et des particules légères de type ondulatoire appelées axions. Deux expériences distinctes sont en cours de développement pour rechercher chacun de ces candidats.
QUEST-DMC : à la recherche des collisions de matière noire
L’équipe du projet Quantum Enhanced Superfluid Technologies for Dark Matter and Cosmology (QUEST-DMC) (ou Technologies superfluides améliorées au niveau quantique pour la matière noire et la cosmologie) vise à atteindre une sensibilité inégalée pour détecter les collisions avec des candidats de matière noire dont la masse est comprise entre 0,01 et quelques atomes d’hydrogène. Le détecteur est constitué d’hélium-3 superfluide, refroidi à un état quantique macroscopique et équipé d’amplificateurs quantiques supraconducteurs.
L’équipe Quantum Sensors for the Hidden Sector (QSHS) (ou Capteurs quantiques pour le secteur caché) développe une nouvelle classe d’amplificateurs quantiques spécialement conçus pour rechercher un signal d’axion. Ces particules, si elles existent, seraient extrêmement légères – plus d’un milliard de fois plus légères qu’un atome d’hydrogène – mais correspondamment plus abondantes.
Une exposition interactive pour le grand public
Le stand de l’exposition permettra aux visiteurs de tous âges d’explorer l’invisible grâce à des démonstrations interactives. Un gyroscope dans une boîte illustrera comment la matière noire est déduite de l’observation des galaxies. Des billes de verre transparentes dans un liquide montreront comment des masses invisibles peuvent être observées grâce à une expérimentation astucieuse.
Un réfrigérateur à dilution lumineux démontrera comment l’équipe atteint des températures ultra-basses, tandis qu’un modèle de détecteur de collision de particules de matière noire simulera le comportement de l’Univers si la matière noire se comportait comme la matière normale.
Les visiteurs pourront également participer activement à la recherche de matière noire en utilisant un modèle de détecteur d’axions et en créant leur propre amplificateur paramétrique à l’aide d’un pendule.
Le cosmologiste Carlos Frenk, membre de la Royal Society et président du comité d’engagement public, encourage vivement le public à participer : «La science est essentielle pour nous aider à comprendre le monde dans lequel nous vivons – passé, présent et futur. J’invite les visiteurs de tous âges à venir avec un esprit ouvert, de la curiosité et de l’enthousiasme pour célébrer les incroyables réalisations scientifiques qui nous profitent à tous.»
Article : « QUEST-DMC: Background Modelling and Resulting Heat Deposit for a Superfluid Helium-3 Bolometer » – DOI: https://link.springer.com/article/10.1007/s10909-024-03142-w
