Comment des aimants lévitant élargissent la recherche sur la matière noire

Un aimant qui flotte sans support mécanique peut devenir un capteur d’une sensibilité remarquable. Privé des frottements et du bruit introduits par un point d’appui, il peut réagir à des couples magnétiques minuscules ou à une impulsion physique extrêmement faible.

C’est précisément ce qui intéresse les chercheurs en matière noire. Deux expériences utilisent cette idée dans des directions opposées : l’une cherche un signal périodique, comme un très faible champ oscillant ; l’autre guette un événement bref, comparable à un minuscule coup porté au capteur. À ce jour, aucune n’a détecté de matière noire. Elles ont toutefois permis d’exclure de nouvelles combinaisons de masse et de force d’interaction. 1712

LeMaMa : écouter une oscillation d’axion à température ambiante

Le Levitated Magnet Magnetometer, ou LeMaMa, repose sur un ferromagnétique de moins d’un millimètre maintenu en lévitation dans le vide, sans contact mécanique. L’équipe associant l’Université de Pékin et l’Université Johannes Gutenberg de Mayence a rapporté une sensibilité magnétique de 32 femtoteslas par racine de hertz à température ambiante, malgré un champ de fond de l’ordre du millitesla. 18

L’objectif est de rechercher une matière noire ultralégère de type axion. Si un tel champ existe et se couple aux photons, il pourrait se manifester par un signal magnétique effectif, très faible mais périodique. Grâce à une configuration dite à double résonance, la collaboration a exploré la bande de 40 à 3 000 Hz et établi de nouvelles limites directes sur le couplage axion-photon dans cette plage. 17

Ici, il ne s’agit donc pas de surprendre une particule qui traverserait l’instrument. Les scientifiques recherchent une oscillation étroite et cohérente, qui émergerait du bruit de fond à une fréquence donnée. Le fonctionnement à température ambiante est un atout important : cette sensibilité ne dépend pas du refroidissement cryogénique du capteur. 1718

POLONAISE : attendre l’impact d’une matière noire ultra-lourde

Le programme POLONAISE de l’université Rice cible un tout autre scénario. Une particule magnétique est lévitée dans un piège supraconducteur à très basse température. Le dispositif surveille les minuscules impulsions mécaniques qu’une particule de matière noire ultra-lourde pourrait laisser en passant à proximité ou en interagissant avec le détecteur.

L’analyse publiée couvre des masses comprises entre 4 × 10^5 et 8 × 10^14 GeV/c², soit environ neuf ordres de grandeur. Elle impose des contraintes à des modèles où la matière noire interagit avec les neutrons par une force à longue portée de type Yukawa, pour des masses de médiateur allant jusqu’à environ 30 meV/c². 1

La campagne n’a livré aucun événement convaincant. Ce résultat nul reste informatif : il écarte des zones de l’espace des paramètres — masse et intensité de l’interaction — dans lesquelles un passage détectable aurait dû se produire. 12

La différence avec LeMaMa est fondamentale. Là où LeMaMa cherche un fond oscillant continu, POLONAISE est conçu pour des signaux rares et transitoires. Pour des candidats extrêmement massifs, le flux attendu peut être très faible : tout l’enjeu est alors de distinguer un vrai choc d’une vibration, d’une perturbation électromagnétique ou d’un autre bruit local.

Pourquoi la lévitation change la donne

Le principal avantage est la faible dissipation. Un support mécanique apporte frottements, pertes d’énergie et bruit ; la lévitation supprime ce contact. Les mouvements de rotation ou de translation de l’aimant peuvent ainsi répondre plus facilement à de très faibles perturbations.

Les micromagnets en lévitation sont envisagés pour la magnétométrie ultrafaible bruit, la mesure de forces, l’accélérométrie, la gravimétrie et des expériences de physique fondamentale. Dans la recherche de matière noire, cela se traduit par deux voies complémentaires :

• la magnétométrie, pour mesurer un champ ou un couple oscillant associé à une matière noire ultralégère ;
• la détection d’impulsions mécaniques, pour rechercher le transfert de quantité de mouvement d’une particule ultra-lourde et rare.

Ces dispositifs ne remplacent pas les détecteurs conventionnels : ils étendent plutôt la recherche à des signatures et à des gammes de masses auxquelles les expériences de recul de particules sont moins bien adaptées. 7171

La suite : réduire le bruit et travailler en réseau

Pour les expériences du type POLONAISE, les prochaines améliorations passent notamment par un abaissement du bruit et par le déploiement de plusieurs capteurs. Des températures plus basses réduiraient l’agitation thermique. Un réseau d’aimants lévitants séparés pourrait aussi aider à reconnaître un véritable passage grâce à une chronologie corrélée, voire à une information directionnelle, tout en rejetant les vibrations locales.

L’obstacle reste considérable pour les hypothèses les plus extrêmes. Une étude théorique conclut que détecter une matière noire à l’échelle de Planck par sa seule gravitation exigerait une réduction massive du bruit — de l’ordre de 80 dB — ainsi qu’un très vaste réseau de détecteurs. Elle souligne néanmoins que de nombreux candidats encore inexplorés pourraient être accessibles avec des plateformes mécaniques existantes ou proches de l’être. 4

Des applications possibles au-delà de la matière noire

Imagerie des signaux magnétiques du cerveau

Les courants neuronaux produisent des champs magnétiques extrêmement faibles, mesurés en magnétoencéphalographie. Les SQUID — des capteurs supraconducteurs — et les magnétomètres à pompage optique comptent aujourd’hui parmi les technologies importantes pour cette imagerie cérébrale non invasive.

Avec sa sensibilité femtotesla à température ambiante, LeMaMa pourrait à terme contribuer à la mesure de signaux magnétiques neuronaux, une application explicitement évoquée par ses développeurs. Il faudrait cependant encore résoudre des problèmes très concrets : encapsulation sous vide fiable, blindage magnétique, isolation contre les vibrations, étalonnage et fonctionnement coordonné de plusieurs capteurs.

Cartographie magnétique à courte distance et géophysique

La petite taille du capteur de LeMaMa, associée à sa sensibilité, pourrait aussi servir à l’imagerie magnétique à haute résolution spatiale, à la détection en champ proche et à l’exploration géophysique. Les mesures magnétiques peuvent notamment aider à repérer des objets métalliques enfouis, tels que des canalisations, câbles, fûts ou munitions non explosées.

Hors du laboratoire, la difficulté sera d’isoler les faibles signaux recherchés des variations du champ ambiant et des vibrations de l’environnement.

Une plateforme de mesure, pas encore une découverte

Les aimants lévitants s’affirment comme une plateforme polyvalente de métrologie de précision. LeMaMa montre qu’un aimant flottant à température ambiante peut devenir un magnétomètre ultrasensible pour la recherche d’axions ou de particules analogues. POLONAISE montre qu’un aimant lévité dans un environnement cryogénique peut tester des modèles impliquant de rares particules ultra-lourdes. 171

Aucune de ces expériences n’a encore observé la matière noire. Leur apport est d’agrandir la part du paysage théorique qui peut être testée expérimentalement, tout en développant des instruments susceptibles de trouver des usages en physique fondamentale, en imagerie cérébrale et en exploration magnétique. 2