Un capteur quantique britannique franchit une étape clé dans la recherche sur la matière noire

Des chercheurs de l'Imperial College London ont démontré pour la première fois qu'un prototype de capteur quantique peut annuler le bruit laser écrasant en comparant deux interféromètres atomiques, récupérant ainsi des signaux faibles qui seraient autrement perdus. Cette avancée, publiée dans Nature le 17 juin, valide une technique qui sous-tend les plans pour des détecteurs de nouvelle génération capables de rechercher des ondes gravitationnelles issues de l'univers primitif et des formes exotiques de matière noire.imperial+2

Comment deux instruments battent le bruit

L'expérience, menée au laboratoire de strontium ultrafroid de l'Imperial, a utilisé deux nuages séparés d'atomes de strontium-87 ultrafroids interrogés par un seul laser d'horloge. L'installation a été conçue pour imiter les conditions de futurs détecteurs beaucoup plus grands, où le contrôle du bruit est beaucoup plus difficile.miragenews

Pour tester l'approche, l'équipe a délibérément injecté un bruit de phase dépassant largement ce que les lasers d'horloge produisent naturellement. Chaque interféromètre est devenu individuellement inutilisable, son signal étant complètement enterré. Mais lorsque les deux instruments ont été comparés, les corrélations entre eux ont révélé un signal clair. La mesure combinée a atteint la limite quantique fondamentale, confirmant que la technique différentielle fonctionne comme les théoriciens l'avaient prédit.imperial+1

L'équipe a ensuite injecté un signal oscillant ressemblant à ce qu'une onde gravitationnelle ou un champ de matière noire pourrait produire. Il a été détecté clairement, même si aucun des deux interféromètres ne contenait seul d'informations exploitables.miragenews+1

"Nous savions depuis longtemps que les capteurs quantiques pouvaient nous aider à comprendre l'univers, mais ce n'est que récemment qu'il est devenu possible de les construire avec la résolution nécessaire", a déclaré le Dr Charles Baynham, codirecteur du laboratoire.miragenews

Passer à l'échelle supérieure avec AION et au-delà

Ce travail fait partie de la collaboration Atom Interferometer Observatory and Network (AION), un effort à l'échelle du Royaume-Uni dirigé par l'Imperial qui comprend les universités de Birmingham, Cambridge, Liverpool, King's College London et Oxford, ainsi que le STFC Rutherford Appleton Laboratory. Le plan par étapes d'AION prévoit de passer d'un prototype de 10 mètres à Oxford à des détecteurs de 100 mètres, puis à l'échelle du kilomètre.hep.ic+2

La collaboration s'associe également à l'expérience MAGIS au Fermilab aux États-Unis et a proposé l'Atom Interferometry CERN Experiment (AICE), qui appliquerait des techniques similaires sur des lignes de base beaucoup plus longues.miragenews

"Notre expérience actuelle n'est qu'un prototype, mais son passage à une installation à grande échelle dans des laboratoires tels que le CERN ou le Fermilab nous permettra de nous attaquer à certains des mystères les plus profonds de la physique, notamment la nature de la matière noire", a déclaré le Dr Richard Hobson, l'autre codirecteur du laboratoire.miragenews