La précision exceptionnelle des horloges atomiques pourrait permettre de détecter la matière noire, selon une nouvelle hypothèse. En considérant qu’elle interagit avec la matière ordinaire, ses particules ultralégères pourraient induire d’infimes fluctuations dans l’exactitude de ces horloges. La détection de ces variations pourrait ainsi devenir la première preuve tangible de la véritable existence de cette insaisissable matière.
La matière noire a été théorisée pour expliquer certains phénomènes physiques s’écartant du modèle standard. En effet, l’Univers et tout ce qui nous entoure sont composés de matière ordinaire. Cependant, de nombreux phénomènes ne peuvent s’expliquer par la seule présence de cette dernière, comme les interactions gravitationnelles au niveau des galaxies. Les physiciens ont alors émis l’hypothèse de l’existence d’une autre forme de matière. La matière noire ferait près de 6 fois la masse totale de la matière ordinaire dans l’Univers et aurait pris forme après le Big Bang, en même temps que celle-ci.
Cependant, bien que nous en observions les effets, nous ne sommes toujours pas parvenus à la détecter. Malgré les décennies de recherches mobilisées dans ce sens, il n’existe pas de preuves concrètes de son existence. Dans un nouvel effort visant potentiellement à la détecter, des chercheurs de l’Université du Sussex et du National Physical Laboratory du Royaume-Uni avancent une nouvelle hypothèse de détection basée sur les horloges atomiques. D’après le rapport décrit dans le New Journal of Physics, ces horloges pourraient permettre de détecter indirectement les particules ultralégères de matière noire.
Des mesures basées sur 2 constantes fondamentales
Les horloges atomiques tirent leur incroyable précision de celle inhérente à la résonance atomique, c’est-à-dire la manière dont les atomes oscillent entre des états énergétiques différents. Cette exactitude permet de mesurer très précisément le temps, même si cela devait durer des milliards d’années (la désynchronisation serait toujours relativement faible). Mis à part leur fonction d’horloge proprement dite, elles peuvent être utilisées dans de nombreux domaines, tels que l’analyse du comportement d’interaction de certaines lois physiques comme la gravité avec le temps. Elles peuvent aussi appuyer le stockage d’informations quantiques.
Selon les lois de la physique, les horloges atomiques devraient fonctionner selon un rythme constant. Cependant, des hypothèses suggèrent que des changements s’écartant du modèle standard de la physique peuvent entraîner des fluctuations dans les niveaux d’énergie atomique. Ces variations affecteraient ainsi leur mesure du temps. D’un autre côté, de nombreux processus physiques suggèrent que la matière ordinaire interagit avec la matière noire. Les chercheurs de la nouvelle étude en ont alors déduit que l’interaction des atomes avec les particules de matière noire pourrait provoquer d’infimes variations de la précision des horloges atomiques.
Pour établir son nouveau modèle théorique, l’équipe de recherche a développé une méthode de calcul permettant de mesurer les fluctuations temporelles des horloges atomiques. Afin d’éprouver la viabilité de leur méthode, les chercheurs ont effectué des lectures basées sur les atomes de strontium (87Sr), d’ytterbium (171 Yb) et de césium (133 Cs). Ils ont ensuite mesuré leur sensibilité aux fluctuations des constantes fondamentales (les paramètres sur lesquels reposent nos lois de l’Univers). À savoir que les origines sous-jacentes et la variabilité spatio-temporelle de ces constantes constituent depuis longtemps un domaine de recherche très actif. Notamment, elles pourraient répondre à de nombreuses questions physiques pour l’instant en suspens. De nombreuses expériences ont démontré que l’incroyable précision des horloges atomiques peut être exploitée pour étudier les variations temporelles de ces constantes.
« Nous créons un nouveau domaine à l’interface de la physique atomique, moléculaire et optique (AMO) et de la physique des particules traditionnelle, qui pourraient découvrir de nouveaux phénomènes passionnants tels que la matière noire », a expliqué dans un communiqué le directeur de la recherche Xavier Calmet, de l’Université du Sussex. « Nous faisons littéralement de la cosmologie et de l’astrophysique en laboratoire », ajoute-t-il.
Pour leurs mesures, Calmet et son équipe ont pris en compte deux constantes fondamentales concurrentielles et pertinentes, pour les interactions possibles entre la matière noire scalaire ultralégère et la matière ordinaire. Il s’agit de la constante de structure fine (indiquant la force avec laquelle les protons attirent les électrons) et le rapport de masse électron/proton. La perturbation de ces deux paramètres dans la fréquence d’oscillation des atomes pourrait indiquer la présence de particules ultralégères de matière noire. Le modèle des chercheurs inclut les variations sur des échelles de temps allant d’une minute à une journée, sur une période d’environ deux semaines.
D’après l’équipe de recherche, cette théorie serait inédite et ne reposerait sur aucune hypothèse préexistante. Par ailleurs, les mesures obtenues par les horloges pourraient être utilisées pour étudier les hypothétiques particules d’axions. La prochaine étape consistera à vérifier expérimentalement le modèle théorique.
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