Des chercheurs affirment que les horloges atomiques spatiales pourraient aider à découvrir la nature de la matière noire

La matière noire représente plus de 80% de la masse de l’univers, mais elle a jusqu’à présent échappé à la détection sur Terre, malgré des décennies d’efforts expérimentaux. Un élément clé de ces recherches est une hypothèse sur la densité locale de matière noire, qui détermine le nombre de particules de matière noire traversant le détecteur à un moment donné, et donc la sensibilité expérimentale. Dans certains modèles, cette densité peut être beaucoup plus élevée qu’on ne le suppose habituellement, et la matière noire peut devenir plus concentrée dans certaines régions que dans d’autres.

Une classe importante de recherches expérimentales sont celles qui utilisent des atomes ou des noyaux, car ceux-ci ont atteint une sensibilité incroyable aux signaux de la matière noire. Cela est possible, en partie, parce que lorsque les particules de matière noire ont de très petites masses, elles induisent des oscillations dans les constantes mêmes de la nature. Ces oscillations, par exemple dans la masse de l’électron ou la force d’interaction de la force électromagnétique, modifient les énergies de transition des atomes et des noyaux de manière prévisible.

Une équipe internationale de chercheurs, le chercheur du projet Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) Joshua Eby, Université de Californie, Irvine, le boursier postdoctoral Yu-Dai Tsai et la professeure Marianna S. Safronova de l’Université du Delaware, ont vu le potentiel dans ces signaux oscillants. Ils ont affirmé que dans une région particulière du système solaire, entre l’orbite de Mercure et le Soleil, la densité de matière noire peut être extrêmement grande, ce qui signifierait une sensibilité exceptionnelle aux signaux oscillants.

Ces signaux pourraient être captés par des horloges atomiques, qui fonctionnent en mesurant soigneusement la fréquence des photons émis lors des transitions d’états différents dans les atomes. La matière noire ultra-légère au voisinage de l’expérience d’horloge pourrait modifier ces fréquences, car les oscillations de la matière noire augmentent et diminuent légèrement l’énergie des photons.

“Plus il y a de matière noire autour de l’expérience, plus ces oscillations sont importantes, donc la densité locale de matière noire compte beaucoup lors de l’analyse du signal”, a déclaré Eby.

Bien que la densité précise de la matière noire près du Soleil ne soit pas bien connue, les chercheurs affirment que même une recherche à sensibilité relativement faible pourrait fournir des informations importantes.

La densité de matière noire n’est limitée dans le système solaire que par des informations sur les orbites des planètes. Dans la région entre le Soleil et Mercure, la planète la plus proche du Soleil, il n’y a presque aucune contrainte. Ainsi, une mesure à bord d’un vaisseau spatial pourrait rapidement révéler les limites mondiales de la matière noire dans ces modèles.

La technologie pour mettre leur théorie à l’épreuve existe déjà. Eby dit que la sonde solaire Parker de la NASA, qui fonctionne depuis 2018 avec l’aide d’un blindage, s’est rapprochée du Soleil que n’importe quel engin fabriqué par l’homme dans l’histoire, et fonctionne actuellement à l’intérieur de l’orbite de Mercure, avec des plans pour se déplacer même plus proche du Soleil en un an.

Les horloges atomiques dans l’espace sont déjà bien motivées pour de nombreuses raisons autres que la recherche de matière noire.

“Les missions spatiales longue distance, y compris d’éventuelles futures missions vers Mars, nécessiteront un chronométrage exceptionnel, comme le feraient des horloges atomiques dans l’espace. Une future mission possible, avec un blindage et une trajectoire très similaires à la sonde solaire Parker, mais portant une horloge atomique appareil, pourrait être suffisant pour effectuer la recherche », a déclaré Eby.