Des nanofils supraconducteurs pourraient être utilisés pour détecter la matière noire

L'une des grandes recherches scientifiques de notre époque est la chasse à la matière noire. Les physiciens croient que cette substance remplit l'univers et pensent qu'ils peuvent en voir la preuve dans la rotation des galaxies. En effet, les galaxies tournent si vite qu'elles devraient s'envoler à moins qu'une masse cachée ne génère suffisamment de force gravitationnelle pour les maintenir ensemble.

Cette preuve a incité les physiciens à chercher de la matière noire sur Terre. Ils ont construit des dizaines d'observatoires, la plupart dans des cavernes souterraines profondément sous la surface, où le bruit de fond est faible. L'enjeu est la renommée scientifique et la fortune, le groupe qui découvre la matière noire étant susceptible d'être richement récompensé.

Mais jusqu'à présent, les physiciens n'ont précisément rien trouvé. Si elle est là-bas, la matière noire est très bien cachée. Ou les physiciens ont cherché au mauvais endroit. Une possibilité est que les particules de matière noire soient trop petites pour être vues par les expériences actuelles. Les physiciens veulent donc désespérément des moyens meilleurs et plus sensibles pour détecter ces choses.

Entrez Yonit Hochberg de l'Université hébraïque de Jérusalem en Israël et quelques collègues, qui ont développé un nouveau capteur prometteur basé sur de minuscules fils supraconducteurs. Le prototype de l'équipe montre déjà le potentiel de cette approche.

Le principe du nouvel appareil est simple. Refroidissez certains métaux en dessous d'une température critique et ils conduisent sans résistance. Mais dès que leur température dépasse ce seuil, le comportement supraconducteur disparaît.

Les physiciens savent que les particules de matière noire ne peuvent pas interagir fortement avec la matière visible ; sinon ils les auraient déjà vus. Mais les particules de matière noire peuvent entrer en collision frontale avec des particules ordinaires.

Ces collisions sont rares car la matière ordinaire est principalement un espace vide, de sorte que les particules de matière noire peuvent passer directement à travers. Mais lorsqu'ils entrent en collision avec un noyau atomique ou un électron dans un réseau, par exemple, la collision fait vibrer le réseau, augmentant ainsi sa température.

C'est cette élévation de température que les nanofils supraconducteurs savent bien révéler. Le chauffage provoque l'arrêt supraconducteur d'une petite partie du fil, ce qui crée à son tour une impulsion de tension facile à mesurer. De plus, un tel appareil produit peu de faux positifs, voire aucun.

Hochberg and co ont mis leur idée à l'épreuve en construisant un prototype. Ce dispositif se compose d'un ensemble de nanofils de siliciure de tungstène de seulement 140 nanomètres de large (un cheveu humain mesure environ 100 000 nanomètres de large) et de 400 micromètres de long. L'ensemble de l'appareil se trouve à quelques millidegrés au-dessus du zéro absolu, de sorte que les fils de siliciure de tungstène deviennent supraconducteurs.

L'équipe a ensuite recherché les impulsions de tension qui pourraient révéler une collision de matière noire. Avec un blindage approprié en place, ils n'ont trouvé aucune impulsion pendant la durée de 10 000 secondes de leurs mesures.

Cela impose des contraintes importantes sur le type de matière noire qui pourrait être présente et sa densité. Cela impose également des contraintes sur d'autres types de particules dont les physiciens pensent qu'elles pourraient exister.

L'un d'eux est le photon noir, essentiellement l'équivalent en matière noire du photon ordinaire. S'ils existent, alors le nouveau capteur n'en a pas détecté un seul. Les résultats de cet appareil placent déjà des limites significatives sur les interactions matière noire-électron, y compris les limites terrestres les plus fortes sur l'absorption des photons noirs sous-eV à ce jour, disent Hochberg et co.

C'est un travail impressionnant, étant donné que la masse des nanofils n'est que de quelques nanogrammes. L'étape suivante consiste à les fabriquer à plus grande échelle. Hochberg et co disent que la technologie est relativement mature, donc cela devrait être possible sur une courte échelle de temps. En effet, ils estiment qu'un laboratoire universitaire pourrait produire mille détecteurs de 200 nanomètres avec une masse totale de 1,3 gramme en seulement un an. Un effort industriel pourrait réaliser plusieurs fois ce nombre, soulignent-ils.

Ainsi, un détecteur à l'échelle du kilogramme pourrait être réalisable dans un avenir pas trop lointain. Une telle machine rivaliserait avec celles déjà en fonctionnement dans la recherche de matière noire, mais elle regarderait différentes énergies d'une manière différente.

Il se peut donc qu'un jour, des nanofils supraconducteurs découvrent la matière noire, si tant est qu'elle existe.

Réf : arxiv.org/abs/1903.05101 : Détecter la matière noire avec des nanofils supraconducteurs

cacher