Réseau de capteurs quantiques à longue base comme détecteur de photons sombres

Contexte académique

Les photons sombres ultra-légers sont l’un des principaux candidats à la matière noire, et ont suscité un large intérêt théorique et expérimental. Selon le mécanisme de mélange cinétique, lorsque les photons sombres sont couplés aux photons du modèle standard, ils produisent des ondes électromagnétiques cohérentes, et ces ondes devraient présenter une corrélation spatiale dans l’intervalle de longueur d’onde de Broglie des photons sombres. Cependant, bien que les observations astrophysiques des huit dernières décennies aient fourni de nombreuses preuves de l’existence de la matière noire, la détection directe de leurs interactions non gravitationnelles avec les particules et champs du modèle standard reste infructueuse. Pour relever ce défi, de nombreuses théories ont été proposées, dont certaines prédisent l’existence de nouvelles particules fondamentales, telles que les axions et les photons sombres.

Source

Cet article intitulé « Réseau de capteurs quantiques à longue base comme haloscope de matière noire » a été réalisé par plusieurs chercheurs de l’Université des Sciences et Technologies de Chine et d’institutions de recherche affiliées, dont Min Jiang, Taizhou Hong, Dongdong Hu, Yifan Chen, Fengwei Yang, Tao Hu, Xiaodong Yang, Jing Shu, Yue Zhao, Xinhua Peng et Jiangfeng Du. L’article a été publié dans Nature Communications, accepté le 4 avril 2024 et publié en 2024.

Processus de recherche

Le travail de recherche se compose de plusieurs étapes principales : 1. La recherche comprend 15 magnétomètres atomiques, répartis dans deux chambres de blindage électromagnétique à Harbin et Suzhou, en Chine, les deux sites étant distants de 1700 km. 2. Tous les magnétomètres sont synchronisés au système de positionnement global (GPS) pour garantir une comparaison de données en temps réel entre les deux sites. 3. Les magnétomètres atomiques ont une très haute sensibilité, atteignant le niveau de fT (attoteslas), permettant de détecter des signaux radio-électromagnétiques à proximité des murs de blindage. 4. Grâce à la synchronisation des données et aux mesures longue base, de nombreuses sources de bruit local ont été considérablement réduites, augmentant ainsi la fiabilité de la détection du signal de photons sombres. 5. L’évaluation de l’impact des photons sombres sur la matière noire dans la gamme de masses de 4,1feV à 2,1PeV utilise la contrainte sur le paramètre de mélange cinétique ε.

Méthodologie expérimentale et analyse des données

• Équipement expérimental : utilisation de chambres de blindage électromagnétique à cinq couches, chaque chambre ayant des dimensions internes de 2x2x2 m³.
• Capture et traitement des données : enregistrement des données de tous les magnétomètres atomiques via un système de collecte de données personnalisé et synchronisation avec le temps GPS, en calculant le spectre de corrélation croisée pour chaque paire de magnétomètres.
• Gestion des bruits : utilisation d’un réseau à longue base pour distinguer le bruit technique et les potentiels signaux de photons sombres, en excluant les interférences de bruit en comparant les niveaux de bruit et la corrélation des signaux.

Principaux résultats

1. Les données expérimentales montrent que dans la gamme de masses de photons sombres de 4,1feV à 2,1PeV, le paramètre de mélange cinétique ε peut être contraint de manière significative. La sensibilité mesurée est supérieure de trois ordres de grandeur à celle des expériences terrestres, atteignant environ 5×10^-6.
2. En croisant les données de tous les magnétomètres, l’expérience a rapporté la première détection expérimentale de signaux corrélés de photons sombres sur une distance de plus de 1000 km.
3. Pendant l’expérience, en excluant les bruits techniques et les signaux de fond locaux, l’efficacité et la fiabilité de la détection des photons sombres ont été garanties.

Conclusion et signification

1. Les résultats de la recherche fournissent les contraintes les plus strictes à ce jour sur le paramètre de mélange cinétique des photons sombres dans la gamme de masses de 4,1feV à 2,1PeV, dépassant largement toutes les expériences terrestres précédentes.
2. Grâce au réseau de capteurs quantiques à longue base, les bruits à grande échelle causés par les facteurs géographiques et astronomiques ont été considérablement réduits, permettant une détection haute sensibilité des signaux de photons sombres.
3. Cette technologie de réseau de capteurs quantiques offre de nouvelles perspectives et directions pour la détection future de la matière noire, notamment par l’optimisation des dispositifs expérimentaux et l’augmentation du nombre de points de détection, permettant d’atteindre une sensibilité encore plusieurs ordres de grandeur supérieure au niveau actuel.

Points forts de la recherche

1. Utilisation de 15 magnétomètres atomiques synchronisés, détectant pour la première fois les signaux corrélés de photons sombres sur une base de 1700 km.
2. L’expérience a fourni les contraintes les plus strictes sur le paramètre de mélange cinétique dans la gamme de masses de 4,1feV à 2,1PeV, améliorant significativement la sensibilité de détection des signaux de photons sombres.
3. L’utilisation de chambres de blindage électromagnétique à cinq couches a considérablement amélioré l’efficacité de détection des signaux dpdm, montrant le potentiel de collecter de faibles signaux radio-électromagnétiques via de grandes chambres de blindage.

À l’avenir, en augmentant le nombre de magnétomètres, en agrandissant les chambres de blindage, et en optimisant la sensibilité des magnétomètres, il sera possible d’améliorer encore la capacité de détection de la matière noire de photons sombres et d’explorer un espace de paramètres au-delà des contraintes actuelles des observations astronomiques et cosmologiques.