La matière noire reste l'une des énigmes centrales de la physique : son existence est confirmée par les observations gravitationnelles et cosmologiques, mais ses propriétés non gravitationnelles demeurent inconnues. La matière noire ultra-légère est particulièrement intéressante, car sa nature ondulatoire ouvre de nouvelles stratégies de détection. Contrairement aux expériences classiques, fondées sur l'excitation de particules, la matière noire ultra-légère peut diffuser de façon cohérente sur tous les nucléons d'une cible macroscopique, ce qui amplifie considérablement la section efficace. Les propositions existantes utilisent des cibles macroscopiques uniques, par exemple des balances de torsion, mais le satellite MICROSCOPE, avec sa structure multicouche emboîtée, se distingue radicalement. Lorsque les dimensions et les distances entre composants sont comparables à la longueur d'onde de la matière noire, la description standard de la diffusion sur un seul objet cesse de fonctionner, et des effets d'interférence apparaissent, analogues à ceux de l'optique à deux fentes. Ce travail se situe aux côtés des recherches qui utilisent des balances de torsion et des interféromètres atomiques pour traquer la matière noire, mais il examine pour la première fois l'interférence entre plusieurs cibles macroscopiques dans une expérience spatiale.
Les auteurs ont élaboré un formalisme théorique pour la diffusion des ondes de matière noire sur plusieurs cibles macroscopiques, en généralisant la première approximation de Born. Ils ont calculé la force s'exerçant sur chaque cylindre à partir des amplitudes de diffusion, en utilisant l'équation de Lippmann-Schwinger et le théorème d'Ehrenfest. Pour le cas concret de MICROSCOPE, deux cylindres creux coaxiaux présentant un jeu radial d'environ 1 cm ont été considérés. Le signal dépend de l'angle d'incidence de l'onde de matière noire par rapport à l'axe de sensibilité, angle qui varie avec la rotation du satellite. L'analyse des données a été menée dans le domaine fréquentiel : l'accélération différentielle à la fréquence de rotation a été ajustée par la somme d'un polynôme cubique pour la dérive et d'un modèle de signal de matière noire de section efficace inconnue. Les incertitudes statistiques ont été estimées par la méthode des moindres carrés avec des pondérations fondées sur la densité spectrale de bruit, et les erreurs systématiques ont été tirées de l'analyse d'équivalence à la même fréquence.
Les calculs ont montré que, pour des longueurs d'onde de matière noire très supérieures au jeu radial entre les cylindres, l'interférence supprime totalement l'accélération différentielle, alors que sans interférence celle-ci tendrait vers une valeur constante. Pour la session 218, le signal était modulé par la rotation du satellite avec une amplitude dépendant de la masse de matière noire. L'analyse de toutes les sessions de MICROSCOPE a donné des contraintes sur la section efficace de diffusion de la matière noire sur les nucléons : pour une masse de 5×10⁻³ eV, la section efficace s'élève à (−5,5±1,6stat±4,2syst)×10⁻⁵³ cm² pour SUREF et à (14,9±5,3stat±4,5syst)×10⁻⁵³ cm² pour SUEP. Aucun signal significatif n'a été détecté, d'où l'établissement de limites supérieures au niveau de 2σ. Les contraintes les plus strictes, de l'ordre de 10⁻⁵² cm², ont été atteintes pour une masse de 5×10⁻³ eV, là où la longueur de cohérence est comparable aux dimensions des cylindres. La prise en compte du boîtier externe comme troisième diffuseur renforce le signal et améliore les contraintes.
Ce travail démontre pour la première fois que l'interférence quantique lors de la diffusion d'ondes de matière noire sur plusieurs objets macroscopiques produit des signaux observables dans des accéléromètres de précision. Contrairement aux études voisines, qui utilisent des cibles uniques ou des balances de torsion, on exploite ici la structure emboîtée de MICROSCOPE, ce qui permet d'explorer un régime où la longueur d'onde est comparable aux dimensions et aux distances entre les corps. Les contraintes obtenues sur le couplage quadratique de la matière noire avec les nucléons dans la gamme de masses 10⁻³–10⁻² eV sont plus fortes de deux ordres de grandeur que les précédentes. Cela consacre les accéléromètres de précision multicomposants comme une nouvelle classe de détecteurs de l'interférence ondulatoire de la matière noire.
Le sujet pourrait se développer dans la direction de la conception d'interféromètres spécialisés pour la matière noire, dotés d'une géométrie de corps optimisée. La prise en compte de l'interférence avec le boîtier externe a déjà montré un renforcement du signal, ce qui ouvre la voie à une sensibilité accrue grâce à l'ajout de diffuseurs supplémentaires. De futures missions spatiales dotées d'accéléromètres plus précis et d'une orientation contrôlée pourraient exploiter cet effet pour rechercher la matière noire dans une gamme de masses plus large.
Les résultats influenceront la conception des futures expériences de recherche de matière noire ultra-légère, en particulier les tests spatiaux d'équivalence et la gravimétrie de précision. Ils stimuleront aussi les études théoriques des effets d'interférence dans la diffusion des ondes de matière noire sur des structures complexes.
L'étape suivante pourrait être l'analyse des données d'autres missions spatiales, comme LISA Pathfinder, en tenant compte de l'interférence entre les masses d'épreuve. Il importe également d'élaborer des modèles plus précis des erreurs systématiques à la fréquence de rotation afin d'améliorer les contraintes.
Ce travail touche au problème non résolu de la nature de la matière noire, en particulier à la question de ses interactions non gravitationnelles. Il aborde aussi le problème fondamental de l'interférence quantique d'objets macroscopiques, qui n'a encore jamais été observée pour des masses aussi grandes que les masses d'épreuve de MICROSCOPE.
Les deux cylindres de MICROSCOPE ne sont séparés que par un jeu de 1 centimètre, mais pour des ondes de matière noire de masse 5×10⁻³ eV, la longueur de cohérence atteint environ 10 centimètres, ce qui leur permet d'interférer comme la lumière dans l'expérience de Young.