Le réseau de capteurs GNOME publie pour la première fois des données complètes dans Nature Physics – Neuf stations dans six pays sont concernées.
Une équipe internationale de chercheurs avec la participation clé du PRISMA.+ à l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et à l’Institut Helmholtz de Mayence (HIM), a publié pour la première fois des données complètes sur la recherche de matière noire à l’aide d’un réseau mondial de magnétomètres optiques. Selon les scientifiques, les champs de matière noire devraient produire un modèle de signal caractéristique qui peut être détecté par des mesures corrélées dans plusieurs stations du réseau GNOME. L’analyse des données d’un mois de fonctionnement continu de GNOME n’a pas encore donné d’indication correspondante. Cependant, la mesure permet de formuler des contraintes sur les caractéristiques de la matière noire, comme le rapportent les chercheurs dans la prestigieuse revue Nature Physics.
GNOME est l’acronyme de Global Network of Optical Magnetometers for Exotic Physics Searches (réseau mondial de magnétomètres optiques pour la recherche en physique exotique). Il est constitué de magnétomètres répartis dans le monde entier, en Allemagne, en Serbie, en Pologne, en Israël, en Corée du Sud, en Chine, en Australie et aux États-Unis. Avec GNOME, les chercheurs souhaitent particulièrement faire avancer la recherche de la matière noire – l’un des défis les plus passionnants de la physique fondamentale au XXIe siècle. Après tout, on sait depuis longtemps que de nombreuses observations astronomiques déroutantes, telles que la vitesse de rotation des étoiles dans les galaxies ou le spectre du rayonnement de fond cosmique, peuvent être expliquées par la matière noire.
Esquisse du réseau mondial GNOME. Crédit : Hector Masia Roig
“Les particules bosoniques extrêmement légères sont considérées comme l’un des candidats les plus prometteurs pour la matière noire aujourd’hui. Il s’agit notamment des particules dites de type axion – ALP en abrégé”, a déclaré le professeur Dmitry Budker, professeur à PRISMA+ et au HIM, une collaboration institutionnelle de l’université Johannes Gutenberg de Mayence et du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung de Darmstadt. “Ils peuvent également être considérés comme un champ classique oscillant avec une certaine fréquence. Une particularité de ces champs bosoniques est que – selon un scénario théorique possible – ils peuvent former des motifs et des structures. Par conséquent, la densité de la matière noire pourrait être concentrée dans de nombreuses régions différentes – des murs de domaines discrets plus petits qu’une galaxie mais beaucoup plus grands que la Terre pourraient se former, par exemple.”
“Si un tel mur rencontre la Terre, il est progressivement détecté par le réseau GNOME et peut provoquer des signaux caractéristiques transitoires dans les magnétomètres”, explique le Dr Arne Wickenbrock, l’un des coauteurs de l’étude. “Plus encore, les signaux sont corrélés entre eux de certaines manières – en fonction de la vitesse de déplacement du mur et du moment où il atteint chaque emplacement.”
Configuration du réseau GNOME basée à Mayence. Crédit : Hector Masia Roig
Le réseau se compose entre-temps de 14 magnétomètres répartis dans huit pays du monde, dont neuf ont fourni des données pour l’analyse actuelle. Le principe de mesure est basé sur une interaction de la matière noire avec les spins nucléaires des atomes du magnétomètre. Les atomes sont excités par un laser à une fréquence spécifique, orientant les spins nucléaires dans une direction. Un champ potentiel de matière noire peut perturber cette direction, ce qui est mesurable.
Au sens figuré, on peut imaginer que les atomes du magnétomètre dansent initialement dans la confusion, comme l’a précisé Hector Masia-Roig, doctorant dans le groupe de Budker et également auteur de l’étude actuelle. Lorsqu’ils “entendent” la bonne fréquence de lumière laser, ils tournent tous ensemble. Les particules de matière noire peuvent déséquilibrer les atomes qui dansent. Nous pouvons mesurer cette perturbation très précisément.” C’est maintenant que le réseau de magnétomètres devient important : lorsque la Terre se déplace à travers un mur de matière noire limité dans l’espace, les atomes dansants de toutes les stations sont progressivement perturbés. L’une de ces stations se trouve dans un laboratoire de l’Institut Helmholtz de Mayence. “Ce n’est que lorsque nous faisons correspondre les signaux de toutes les stations que nous pouvons évaluer ce qui a déclenché la perturbation”, a déclaré Masia-Roig. “Appliqué à l’image des atomes dansants, cela signifie : Si nous comparons les résultats de mesure de toutes les stations, nous pouvons décider s’il s’agissait d’un seul danseur courageux qui dansait de façon désordonnée ou en réalité d’une perturbation globale de la matière noire.”
Dans l’étude actuelle, l’équipe de recherche analyse les données d’un mois de fonctionnement continu de GNOME. Le résultat :Les signaux statistiquement significatifs ne sont pas apparus dans la plage de masse étudiée allant d’un femtoélectronvolt (feV) à 100 000 feV. En revanche, cela signifie que les chercheurs peuvent réduire encore plus la plage dans laquelle de tels signaux pourraient théoriquement être trouvés. Pour les scénarios qui reposent sur des murs discrets de matière noire, il s’agit d’un résultat important – “même si nous n’avons pas encore été en mesure de détecter un tel mur de domaine avec notre recherche globale d’anneaux”, a ajouté Joseph Smiga, un autre doctorant de Mayence et auteur de l’étude.
Les travaux futurs de la collaboration GNOME se concentreront sur l’amélioration des magnétomètres eux-mêmes et de l’analyse des données. En particulier, le fonctionnement continu devrait être encore plus stable. Ceci est important pour rechercher de manière fiable des signaux qui durent plus d’une heure. En outre, les anciens atomes alcalins des magnétomètres seront remplacés par des gaz nobles. Sous le nom d’Advanced GNOME, les chercheurs s’attendent à ce que cela se traduise par une sensibilité considérablement accrue pour les mesures futures dans la recherche d’ALP et de matière noire.
Référence : “Search for topological defect dark matter with a global network of optical magnetometers” par Samer Afach, Ben C. Buchler, Dmitry Budker, Conner Dailey, Andrei Derevianko, Vincent Dumont, Nataniel L. Figueroa, Ilja Gerhardt, Zoran D. Grujic, Hong Guo, Chuanpeng Hao, Paul S. Hamilton, Morgan Hedges, Derek F. Jackson Kimball, Dongok Kim, Sami Khamis, Thomas Kornack, Victor Lebedev, Zheng-Tian Lu, Hector Masia-Roig, Madeline Monroy, Mikhail Padniuk, Christopher A. Palm, Sun Yool Park, Karun V. Paul, Alexander Penaflor, Xiang Peng, Maxim Pospelov, Rayshaun Preston, Szymon Pustelny, Theo Scholtes, Perrin C. Segura, Yannis K. Semertzidis, Dong Sheng, Yun Chang Shin, Joseph A. Smiga, Jason E. Stalnaker, Ibrahim Sulai, Dhruv Tandon, Tao Wang, Antoine Weis, Arne Wickenbrock, Tatum Wilson, Teng Wu, David Wurm, Wei Xiao, Yucheng Yang, Dongrui Yu et Jianwei Zhang, 7 décembre 2021, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-021-01393-y
