Des nanosphères en lévitation captent les chocs de la matière noire ✛
Une sphère de silicium de 166 nanomètres de diamètre flotte dans un faisceau laser infrarouge. La pression est inférieure à 10⁻⁸ mbar, et la température de mouvement est d'environ 10 millikelvins. C'est plus froid que le rayonnement fossile. La sphère est un sismographe microscopique qui capte les secousses quantiques de particules invisibles.
Chaque impact d'une particule de matière noire transmet une impulsion à la sphère. Celle-ci tressaute. Sa position est suivie grâce à la lumière diffusée, avec une précision limitée par les fluctuations quantiques. La sensibilité a atteint 65 keV/c, soit seulement 2,7 fois moins que la limite quantique standard pour un tel oscillateur. C'est comme entendre le pas d'une souris à l'autre bout d'un pont.
Sur 26,1 jours, des événements d'amplitudes comprises entre 1 et 4 MeV/c se sont accumulés. Leur origine n'est pas claire. Une analyse conservatrice les a traités comme un signal potentiel ou comme du bruit de fond. En conséquence, des limites supérieures ont été établies sur la force de couplage de la matière noire avec les neutrons : pour la matière noire virialisée, jusqu'à 10⁻⁷ pour une masse de 1 GeV/c² ; pour la matière noire thermalisée, des contraintes pour des masses supérieures à 10³ GeV/c². Pour la matière noire composite avec une masse de constituant de 1 keV/c², les limites sur la section efficace de diffusion sur un neutron sont deux ordres de grandeur plus fortes que celles des expériences sur la cinquième force et le refroidissement stellaire.
Cette méthode ouvre la voie à des réseaux de nanosphères. Une grille de 10×10 améliorerait la sensibilité de plusieurs ordres de grandeur. La mesure tridimensionnelle de l'impulsion permettrait de reconstruire la direction du recul et d'utiliser la modulation diurne pour confirmer l'origine galactique du signal. Il serait possible de détecter des neutrinos individuels émis lors de désintégrations radioactives à l'intérieur de la sphère. Le sismographe devient un télescope.
Une nanosphère de 5 fg contient environ 10¹⁰ atomes, mais son mouvement est refroidi à une température d'environ 10 mK, soit plus froid que le rayonnement fossile. Pourtant, ce capteur peut enregistrer un transfert d'impulsion équivalent à l'impact d'un seul électron se déplaçant à quelques centaines de mètres par seconde.
L'idée d'utiliser des objets microscopiques en lévitation pour détecter la matière invisible rappelle le concept de « sondes de Planck » de la science-fiction, par exemple dans le roman de Greg Egan « L'Échelle de Schild », où des détecteurs ultra-sensibles enregistrent des particules exotiques.