Une casserole sur la cuisinière chante lorsque l'eau bout. Une tasse en cuivre vide peut aussi « chanter » à la fréquence des ondes radio, si une particule de matière noire naît à l'intérieur. Ces particules sont appelées axions et, selon une hypothèse, elles remplissent toute la galaxie d'un nuage invisible. À l'intérieur d'une cavité métallique, un axion se transforme parfois en photon, une particule de lumière. Si la cavité est accordée sur la bonne fréquence, le photon résonne comme une voix dans une salle de bain, et on peut le capter avec un récepteur sensible.
Le problème est que plus l'axion est lourd, plus la fréquence est élevée et plus la cavité doit être petite. Pour une fréquence d'environ 23 gigahertz (soit mille fois plus que celle d'un micro-ondes), il faut une cavité de la taille d'une pièce de monnaie. Une telle pièce capte trop peu de particules, et le bruit de l'instrument augmente aux hautes fréquences. Des physiciens du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont décidé d'assembler une batterie de ces pièces : plusieurs dizaines de cavités identiques fonctionnant comme une seule grande antenne. Chaque cavité est comme un musicien dans un orchestre : seul, le son est faible, mais ensemble, ils jouent fort et en harmonie.
Pour que l'orchestre ne joue pas faux, chaque cavité doit être accordée sur la même note. On insère une tige mobile à l'intérieur, comme un piston dans un tuyau d'orgue. En la déplaçant, on modifie la fréquence de résonance. Dans cette nouvelle étude, la tige est combinée à une antenne qui capte le signal. Le résultat est la première batterie au monde de cavités accordées fonctionnant dans la gamme de 22,88 à 22,93 gigahertz. Cela correspond à une masse d'axion d'environ 95 microélectronvolts, soit cent milliards de fois plus légère qu'un électron.
Pour l'instant, la batterie n'a pas trouvé de matière noire, mais elle a prouvé que la technologie fonctionne. La prochaine étape est d'assembler des centaines, voire des milliers de cavités, pour entendre même le murmure le plus ténu des axions. S'ils existent, un tel orchestre jouera un jour la note tant attendue.
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2601.21074
The cavity haloscope technique has been the most successful approach to date in searching for axion dark matter, owing to a confluence of factors at the GHz scale including the macroscopic size of the axion-to-photon converting cavity volume, the sophistication of present radio-frequency/microwave technologies including quantum amplifiers, and the location of the quantum limit temperature. These factors scale in a disadvantageous way overall as searches move up the axion mass/frequency scale, with the quantum limit noise temperature scaling linearly with frequency $$T_{\text{SQL}} \sim f$$, the effective single cavity volume scaling as the inverse frequency cubed $$C V \sim f^{-3}$$, and the axion-coupled cavity mode quality factor shrinking as $$Q \sim f^{-2/3}$$ for copper cavities, necessitating the search for remedies. One approach is to make up the loss in volume using an array of efficiently packed matched cavities coordinated in space and time to act as a single axion-to-photon converting array. This paper presents PNNL's progress in developing technologies for cavity array axion haloscope in the $$m_a \sim 100$$ micro-eV mass range including the design of moderate scale cm-diameter cavities and their fabrication process using electric discharge machining, the development of mode tuning mechanisms towards a re-entrant style combination tuning rod and coupler, mode matching, and RF readout. The result is the first demonstration of a tunable array of matched cavities with axion-coupling modes in the $$f_0 \in [22.88,22.93]$$ GHz ($$94.62-94.83$$ micro-eV) range. Prospects for future larger arrays leading to viable axion DM searches of this type in this mass range are discussed.
La fréquence de 23 gigahertz est à peu près celle utilisée par les radars de police pour mesurer la vitesse des voitures. Mais ici, le « radar » ne regarde pas la route, mais l'intérieur d'une tasse en cuivre vide.
Dans le roman de Liu Cixin, « Le Problème à trois corps », la matière noire n'est pas constituée de particules mais de traces d'ingénierie extraterrestre. Si la batterie à axions capte un jour un signal, il pourrait ne pas être naturel.