Contraintes expérimentales sur le champ symétrion : Une avancée majeure avec un capteur de force magnétiquement suspendu

Contexte académique

L’énergie sombre (Dark Energy) est la force motrice derrière l’accélération de l’expansion de l’univers, mais sa nature reste un mystère non résolu. Pour expliquer les propriétés de l’énergie sombre, les scientifiques ont proposé plusieurs théories, dont la théorie du champ symétrion (Symmetron Field Theory), considérée comme une candidate importante pour expliquer l’énergie sombre. Cette théorie prédit une cinquième force (Fifth Force) qui interagit avec la matière, mais qui est masquée dans des environnements à haute densité, ce qui pose un défi majeur pour les expériences en laboratoire. Bien que plusieurs expériences aient contraint certaines parties de l’espace des paramètres du modèle symétrion, une grande partie reste encore inexplorée. Par conséquent, l’équipe de recherche a développé une plateforme expérimentale basée sur un capteur de force magnétiquement suspendu, visant à détecter la cinquième force symétrion à l’échelle submillimétrique tout en minimisant les effets de masquage.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Peiran Yin, Xiangyu Xu, Kenan Tian et d’autres scientifiques issus de l’Université de Nanjing, de l’Université des Sciences et Technologies de Chine, et d’autres institutions. Il a été publié dans la revue Nature Astronomy le 4 décembre 2024. L’équipe de recherche a amélioré les méthodes expérimentales, augmentant les contraintes sur l’espace des paramètres du modèle symétrion de six ordres de grandeur, démontrant ainsi le potentiel énorme de ce système pour explorer les forces au-delà du Modèle Standard.

Processus de recherche

1. Conception et construction de la plateforme expérimentale

L’équipe de recherche a conçu une plateforme expérimentale basée sur un capteur de force magnétiquement suspendu. Cette plateforme inclut une masse source (Source Mass) et une masse test (Test Mass), toutes deux placées dans un environnement sous vide élevé (pression de 10⁻⁵ mbar). La masse source est composée de 16 films de silice uniformément répartis, chacun ayant une épaisseur de 100 micromètres, fixés sur un disque rotatif. La masse test est constituée d’une fine pellicule de polyimide de 25 micromètres d’épaisseur, suspendue sur un cadre en verre formé de trois tiges, et positionnée avec précision grâce à un système de suspension magnétique.

Pour réduire les interférences des forces électriques et magnétiques sur les signaux de la cinquième force, l’équipe de recherche a mis en place plusieurs mesures de blindage. La masse source est enfermée dans une boîte métallique avec une fenêtre en nitrure de silicium plaqué or de 200 nanomètres d’épaisseur au sommet, afin de permettre au champ symétrion de pénétrer le bouclier. De plus, un boîtier de blindage magnétique a été installé pour éliminer les forces magnétiques générées par la masse source.

2. Mesure de la cinquième force

Dans l’expérience, le disque de masse source tourne à une fréquence spécifique grâce à un moteur servo, générant un champ symétrion périodique qui exerce une force périodique sur la masse test. L’équipe de recherche a enregistré la réponse de déplacement de la masse test via un système optique et utilisé la transformée de Fourier pour analyser les signaux dans le domaine fréquentiel.

Pour optimiser la détection de la cinquième force, l’équipe de recherche a optimisé numériquement les formes géométriques des masses source et test. Les épaisseurs choisies (25 micromètres pour la masse test et 100 micromètres pour la masse source) sont comparables à la longueur d’onde de Compton (Compton Wavelength), afin de minimiser les effets de masquage.

3. Étalonnage et analyse des données

L’équipe de recherche a étalonné la sensibilité du capteur de force en mesurant le bruit thermique et la gravité newtonienne. Dans l’expérience, la fréquence de résonance du capteur de force a été alignée avec la fréquence d’entraînement pour maximiser l’accumulation des signaux de la cinquième force. En collectant continuellement des données pendant 105 secondes, l’équipe a calculé la limite supérieure de la cinquième force et a utilisé des simulations numériques pour contraindre l’espace des paramètres du champ symétrion.

Résultats principaux

1. Limite supérieure de la cinquième force

L’équipe de recherche a mesuré, avec un niveau de confiance de 95 %, une limite supérieure de la cinquième force de 0,42 fN (d₂ = 0,2 mm) et de 0,33 fN (d₂ = 0,3 mm). Ces résultats concordent avec la limite théorique du bruit thermique brownien (Brownian Thermal Noise), indiquant qu’aucun signal significatif de la cinquième force n’a été détecté.

2. Contraintes sur l’espace des paramètres du champ symétrion

Sur la base des résultats expérimentaux, l’équipe de recherche a contraint l’espace des paramètres du modèle symétrion. La figure 3a montre les régions exclues dans le plan λ–mₛ à l’échelle de l’énergie sombre (μ = 2,4 MeV). Les résultats montrent que l’expérience a amélioré les contraintes sur l’espace des paramètres λ de six ordres de grandeur, notamment autour de mₛ ≈ 10² GeV.

Conclusion et signification

Cette étude a démontré avec succès l’efficacité d’une plateforme expérimentale basée sur un capteur de force magnétiquement suspendu pour détecter la cinquième force symétrion, particulièrement à l’échelle submilligramme. Cette méthode offre une nouvelle perspective pour explorer l’origine de l’énergie sombre et jette les bases pour améliorer les performances expérimentales dans des environnements cryogéniques à l’avenir. De plus, cette recherche ouvre de nouvelles possibilités pour explorer d’autres questions fondamentales de la physique (comme la gravité à courte portée, les modèles d’effondrement de la fonction d’onde et la gravité quantique).

Points forts de la recherche

1. Conception innovante de la plateforme expérimentale : L’équipe de recherche a conçu une plateforme expérimentale basée sur un capteur de force magnétiquement suspendu, capable de détecter la cinquième force à l’échelle submillimétrique grâce à une optimisation des formes géométriques et des mesures de blindage.
2. Extension significative de l’espace des paramètres : L’expérience a amélioré les contraintes sur l’espace des paramètres du modèle symétrion de six ordres de grandeur, comblant ainsi les lacunes entre les expériences existantes.
3. Potentiel d’applications pluridisciplinaires : Cette plateforme expérimentale peut non seulement être utilisée pour la recherche sur l’énergie sombre, mais aussi pour explorer d’autres questions fondamentales de la physique, offrant ainsi un large éventail de perspectives.

Autres informations utiles

L’équipe de recherche a également fourni les données brutes de l’expérience et les codes de simulation numérique pour permettre aux autres chercheurs d’analyser et de valider davantage leurs résultats. De plus, l’article décrit en détail les systèmes de contrôle de température et d’isolation vibratoire de l’appareil expérimental, fournissant ainsi une référence importante pour la conception d’expériences similaires à l’avenir.

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Grâce à cette recherche, les scientifiques ont non seulement approfondi leur compréhension de la nature de l’énergie sombre, mais ont également jeté les bases pour détecter des forces inconnues avec une précision accrue et à des températures plus basses à l’avenir. Ce résultat révolutionnaire aura un impact durable sur le domaine de la physique.