16 mai 2023
La matière noire est un type de matière qui est nécessaire pour expliquer certaines observations cosmologiques et astrophysiques telles que, par exemple, le spectre du fonds diffus cosmologique et les courbes de rotation galactiques. Bien qu’extrêmement importante aux larges échelles, la matière noire n’a jamais été observée directement , en particulier avec les accélérateurs de particules comme avec le LHC au CERN. Motivé par l’absence de détection de nouvelles particules dans des énergies de l’ordre du MeV-TeV, récemment, plusieurs modèles de matière noire extrêmement légère furent développés. Dans ces modèles, la matière noire est constituée d’un boson très massif (sa masse étant plus petite que l’eV). Ce nouveau boson peut avoir des propriétés diverses et des comportements distincts. Par exemple, il peut présenter des oscillations ou encore, il peut générer des grumeaux de matière noire (qui sont appelées défauts topologiques) qui se déplacent dans l’espace-temps.
Dans le groupe « Théorie et métrologie », nous nous intéressons aux développements théories liés à ces modèles de matière noire et en particulier à la dérivation des signatures observables qui peuvent être engendrées. Ce premier axe de recherche est purement théorique mais capital dans l’optique d’identifier quels sont les meilleures mesures qui peuvent être utilisées pour optimiser une découverte hypothétique. Une caractéristique de ces modèles est que la matière noire va interagir avec les champs du modèle standard des particules et produire des effets observables sur des senseurs temps/fréquences tels que les horloges atomiques, les oscillateurs optiques ou les interféromètres atomiques. Ce type de signature est directement liée à des variations spatio-temporelles des constantes de la Nature, telles que la masses des particules fondamentales ou la constante de structure fine de l’électromagnétisme. Ce type de signature est une caractéristique fondamentale d’une violation du principe d’équivalence d’Einstein, un pilier de la relativité générale.
- Dual Rb/Cs atomic fountain
- Dual Rb/Cs atomic fountain operated at SYRTE and used to search for ultra light dark matter
D’autre part, une large activité de notre groupe est dédiée à l’analyse et au développement de différentes mesures dans le but de chercher ces candidats de matière noire. Cette partie de notre recherche se fait en collaboration très étroite avec les autres groups de recherche du SYRTE. En effet, le SYRTE est un acteur principal dans le développement d’horloges atomiques et optiques et a développé quelques des meilleures horloges au monde. Ces mesures ont déjà été utilisées pour produire la recherche la plus performante de matière noire oscillante [1,3]. D’autre part, le SYRTE est un des acteurs principal en Europe dans le développement de liens fibrés pour réaliser des comparaisons d’horloges à très longues distances, entre différents laboratoires en Europe (en particulier le NPL en Grande-Bretagne et le PTB en Allemagne)[4]. Finalement, le SYRTE a accès et possède les compétences pour analyser les données satellites telles que les données GNSS des satellites Galileo. Ces données peuvent également être exploitées pour chercher de la matière noire (voir [2] pour un exemple utilisant les données GPS). Tous ces jeux de données peuvent être utilisés pour chercher de la matière noire et peuvent être combinées pour réaliser un réseau mondial qui est optimal pour contraindre ce type de modèle et pour découvrir de la nouvelle physique.
Plus récemment l’expérience DAMNED (DArk Matter from Non-Equal delays) [3] utilisant une cavité optique ultra-stable du laboratoire et un interféromètre fibré a permis de chercher dans une gamme de masses pas ou peu exploré précédemment. Nous n’avons pas trouvé de matière noire, mais avons amélioré les contraintes dans plusieurs modèles de matière noire d’une manière significative. Ce travail continue en vu d’une amélioration de l’expérience et d’une extension vers d’autres candidats de matière noire.
Projets
Bibliographie
[1] A. Hees, J. Guéna, et al, Phys. Rev. Letters 117, 061301, 2016.
[2] B. Roberts, B. Blewitt, et al, Nature Com. 8, 1195, 2017.
[3] E. Savalle, A. Hees, et al, Phys. Rev. Lett. accepted 2021.
[4] B. Roberts, P. Delva, et al, New J. of Phys., 22, 093010, 2020.