Détection de la matière noire à l’échelle de Planck en exploitant l’interférence quantique

Même si diverses études ont fait allusion à l’existence de la matière noire, sa nature, sa composition et la physique sous-jacente restent mal comprises.

Ces dernières années, les physiciens ont théorisé et recherché divers candidats possibles à la matière noire, notamment des particules dont la masse est sur l’échelle de Planck (environ 1,22 × 10).¹⁹ GeV ou 2,18 × 10⁻⁸ kg) qui pourraient être liés aux effets de la gravité quantique.

Des chercheurs de l’Université d’Aix-Marseille et de l’Institut d’optique quantique et d’information quantique ont récemment émis l’hypothèse que la matière noire à l’échelle de Planck pourrait être détectée à l’aide de déphasages quantiques très sensibles induits par la gravité. Leur article, publié dans Lettres d’examen physiqueintroduit un protocole conçu pour permettre la détection de ces hypothétiques particules de matière noire à l’aide de jonctions Josephson.

“Cette étude est née d’une idée soulevée par Alejandro Perez”, a déclaré Carlo Rovelli, co-auteur de l’article, à Phys.org.

“Nous enseignions tous les trois dans une école de gravitation quantique et d’information quantique organisée dans la campagne française par le consortium de recherche QISS et, comme nous nous connaissons mais que nous vivons habituellement dans des villes différentes, nous avons décidé de partager un appartement pendant notre séjour.

“Alejandro a eu l’idée qu’un type particulier d’interférence quantique générée par une force gravitationnelle, considéré comme un moyen possible de révéler un effet de gravité quantique en laboratoire, pourrait également être utilisé pour détecter la matière noire à l’échelle de Planck.”

Christodoulou et ses collègues de l’Institut d’optique quantique et d’information quantique exploraient depuis quelques années la possibilité de détecter des particules de matière noire ayant des masses à l’échelle de Planck. À l’origine, ils se sont concentrés sur la possibilité de détecter ces particules à l’aide d’un capteur quantique, une idée dont Christodoulou a également discuté avec Rovelli lors d’un atelier en Grèce en 2022.

“J’ai demandé à un étudiant d’essayer un calcul portant sur le mouvement classique d’une particule dû à son attraction gravitationnelle et qui était considéré à l’époque comme une étape préliminaire pour penser à la détection quantique utilisant des technologies développées à Vienne. Pourtant, c’était une fausse idée, ” a déclaré Marios Christodoulou, co-auteur de l’étude.

“Pendant que je donnais un cours sur la théorie derrière les expériences d’intrication médiatisées par la gravité en France, l’un des points principaux que je soulignais était précisément que, même si l’on pense généralement que l’effet de la gravité est “des choses qui tombent les unes dans les autres”, la raison pour laquelle l’interférométrie peut amplifier l’effet minuscule de la gravité est que cela n’a rien à voir avec cela, mais seulement avec la valeur de l’action qui peut prendre différentes valeurs dans un cadre quantique, même en négligeant les « choses qui tombent les unes dans les autres ».

Lorsqu’il était à l’Université de Toulon en France, Christodoulou a commencé à discuter des idées qu’il explorait dans ses recherches avec Alejandro Perez, professeur principal à l’université. Cela a initié la collaboration qui a finalement conduit à cette étude.

“Je lui ai ensuite dit qu’un étudiant essayait de calculer l’effet des “choses tombant les unes dans les autres” pour un capteur classique, ce qui nous permettrait ensuite de penser à un capteur quantique. Alejandro a mentionné que je venais de faire valoir que ce n’était pas la bonne solution. chose à faire, ce qui était le cas et je ne m’en étais pas rendu compte”, a déclaré Christodoulou. “C’est à ce moment-là que l’idée a fait son chemin et qu’Alejandro a passé quelques jours sur son ordinateur portable à faire les calculs qui constituent l’épine dorsale du journal.”

L’étude de ce groupe de chercheurs s’appuie sur des études antérieures de Rovelli, qui décrivaient les trous noirs planckiens (trous noirs avec des masses au niveau de Planck) du point de vue théorique de la théorie de la gravité quantique en boucle. Sa théorie suggérait que ces particules interagissaient uniquement par gravité, ce qui en faisait des candidats prometteurs pour la matière noire.

“Je suis devenu obsédé par cette idée en 2021, lorsque j’ai réalisé qu’un big bang suffisamment chaud produirait exactement la bonne quantité de ces trous noirs nécessaire pour expliquer l’abondance de matière noire observée aujourd’hui”, a déclaré Perez.

“Le big bang doit être à une température initiale proche de la température de Planck, ce qui est également une possibilité naturelle du point de vue de la gravité quantique. J’appelle cela ‘le miracle gravitationnel’ par analogie avec le soi-disant miracle WIMP qui a motivé le phénomène. recherche de WIMPS alors que les gens croyaient fermement à la supersymétrie). Depuis lors, je m’efforçais de trouver une méthode d’observation de cette idée ou, en d’autres termes, si la matière noire est constituée de si petits trous noirs, comment pourrions-nous le prouver ?”

Rovelli, Christodoulou et Perez ont ensuite commencé à explorer cette idée plus en profondeur et à essayer d’identifier des moyens potentiels de la tester. Ils se sont d’abord concentrés sur les méthodes potentielles permettant de tester la mécanique quantique dans les cas où la gravité est pertinente.

“J’ai assisté à une conférence de Markus Aspelmeyer à la conférence QISS, où des expériences incroyables dans ce domaine, qui semblaient impossibles il y a quelque temps, sont réalisées”, a déclaré Perez. “Cet après-midi-là, nous avons engagé des discussions tous les trois et l’idée du journal a naturellement émergé.”

Sur la base des études théoriques antérieures de Rovelli sur les trous noirs, les chercheurs ont émis l’hypothèse que les objets à l’échelle de Planck existent bel et bien. Dans ces articles antérieurs, ils ont proposé qu’à la fin de leur vie, les trous noirs pourraient devenir des particules à l’échelle de Planck avec une longue durée de vie. Ces particules seraient extrêmement petites et posséderaient pourtant des masses considérables, de l’ordre de quelques fractions de microgramme.

“Notre hypothèse principale était que des particules de masse de Planck avec une section efficace d’environ Planck existent dans la nature”, a déclaré Christodoulou.

“Ceux-ci auraient une attraction gravitationnelle relativement importante puisque la masse de Planck équivaut à la masse d’un cheveu humain. Elle est petite mais suffisamment grande pour que son attraction gravitationnelle soit à peine détectable. Ceux-ci font des candidats très naturels à la matière noire car nous savons que la matière noire interagit gravitationnellement. mais pas autrement de manière significative, et c’est ainsi que ces particules devraient se comporter. »

Essentiellement, les chercheurs ont proposé qu’une particule test (c’est-à-dire une sonde) dans une superposition (c’est-à-dire existant simultanément dans plusieurs états), qui se trouve à deux endroits différents, ressentirait un champ gravitationnel à ces deux endroits lorsqu’une particule avec un effet de Planck- la masse d’écaille le dépasse. Cela produirait un effet quantique qui pourrait être détectable si les deux états de la sonde étaient amenés expérimentalement à interférer l’un avec l’autre.

“Pour mesurer réellement l’effet (car la fonction d’onde nous indique seulement la probabilité de trouver où se trouve la particule sonde), il faut répéter l’observation plusieurs fois et faire des statistiques”, a déclaré Perez.

“Le problème est que nous n’avons pas ce luxe car les particules de matière noire sont très rares (leur densité est très faible) et donc l’expérience ne peut pas être répétée plusieurs fois à volonté.

“Pour des raisons pratiques, il est préférable de supposer que la particule sonde a un spin (comme un électron) et il est alors plus facile de produire une expérience idéale où l’on mesure l’interférence (non pas en position) mais dans la variable de spin. Pourtant, la difficulté le fait de devoir répéter l’expérience plusieurs fois demeure dans ce scénario amélioré. »

Dans leur article, l’équipe montre qu’il pourrait être possible de rechercher des particules à l’échelle de Planck en utilisant un système dans lequel de nombreuses particules sont dans un état quantique collectif cohérent. Ce protocole éliminerait le besoin de répéter une expérience plusieurs fois.

“On a environ 10²³ électrons/cm³ dans un état quantique spécial où tous se comportent comme un seul (ils sont décrits par une fonction d’onde unique collective)”, a déclaré Perez.

“Dans une jonction Josephson, ils se trouvent (en quelque sorte) dans une superposition d’emplacements différents de chaque côté de la jonction (un espace spatial séparant deux supraconducteurs). Le passage d’une particule de matière noire agit différemment (gravitationnellement) de chaque côté de la jonction. jonction parce qu’elles sont à des distances différentes, l’interférence entre la fonction d’onde des deux côtés produit un effet macroscopique : un courant à travers les jonctions (des électrons traversant l’espace).

Le protocole proposé par les chercheurs élimine le besoin de répéter plusieurs fois une expérience. Cela est dû au grand nombre d’électrons impliqués dans un seul passage d’une particule de matière noire à l’échelle de Planck, ce qui réduit le besoin de calculs statistiques.

“Le courant traversant l’écart est la moyenne (au sens statistique) de la réponse probabiliste de chacun des 10²³ électrons/cm³“, a déclaré Perez. “C’est comme si un nombre macroscopique d’expériences du premier type avait été réalisé en même temps.”

Cet article récent de Rovelli, Christodoulou et Perez pourrait bientôt ouvrir de nouvelles possibilités pour la recherche de particules de matière noire à l’échelle de Planck. À l’avenir, le protocole proposé pourrait contribuer à la première détection de ces particules hautement insaisissables.

“Notre travail fournit un moyen concret de détecter de telles particules”, a déclaré Rovelli.

“L’intérêt est que de telles particules pourraient être une composante majeure de la mystérieuse matière noire révélée par les astronomes. Si la détection que nous proposons pouvait être réalisée, elle serait spectaculaire : en même temps, elle nous dirait quelle matière noire Autrement dit, cela validerait les idées de la gravité quantique, conduisant à l’idée que cette particule existe, et en particulier la gravité quantique en boucle, qui est à la base de la prédiction, et cela révélerait également un nouveau type d’objet dans la nature : ces échelles de Planck. particules.”

Le protocole développé par cette équipe de recherche pourrait servir de base au développement de nouveaux détecteurs permettant de rechercher des particules de matière noire ayant des masses à l’échelle de Planck. Rovelli, physicien théoricien, mène actuellement de nouvelles études visant à comprendre comment les trous noirs pourraient évoluer en ces hypothétiques particules de matière noire.

“La détection de telles particules constituera un énorme défi technologique et il pourrait être possible de réfléchir à d’autres moyens de détection, utilisant le même principe mais des capteurs différents”, a déclaré Christodoulou. “C’est quelque chose que je garde à l’arrière de ma tête et auquel je pense.”

Tandis que Rovelli poursuit ses travaux théoriques, Christodoulou et Perez ont entamé des collaborations avec d’autres physiciens expérimentaux, comme Gerard Higgins et Martin Zemlicka à l’OEAW de Vienne. Ces collaborations pourraient déboucher sur des études explorant la possibilité de mesurer les champs gravitationnels à l’aide de supraconducteurs.

“Je pense que l’hypothèse selon laquelle la matière noire est constituée de particules de masse planckienne doit avoir d’autres conséquences observationnelles en astrophysique”, a ajouté Perez.

“Par exemple, leur interaction extrêmement faible avec d’autres particules (combinée à leur nature mécanique quantique) pourrait impliquer que cette matière noire se comporte différemment que prévu lors de la formation de la structure via leur attraction gravitationnelle : il est possible que cela explique certaines énigmes dans la structure de les halos galactiques.

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