Matière noire Axion

Le axion est une hypothétique particule ultralégère qui est devenue l'un des candidats les plus convaincants pour matière noire — la substance invisible qui représente environ 85 % de la matière de l'univers. Ce qui rend l’axion particulièrement attrayant, c’est qu’il n’a pas du tout été inventé pour expliquer la matière noire. Il a été proposé de résoudre un problème complètement distinct, et ce n’est que plus tard qu’il s’est avéré être également un candidat naturel pour la matière noire.

Le problème du CP fort

La théorie de la force nucléaire forte, la chromodynamique quantique, autorise un terme qui rendrait les neutrons légèrement déséquilibrés en charge, leur donnant un moment dipolaire électrique. Les expériences montrent que le moment dipolaire du neutron est étonnamment proche de zéro, bien plus petit que ce que la théorie prévoit naturellement. La raison pour laquelle la force forte respecte si précisément cette symétrie est le problème de CP fort. En 1977, Roberto Peccei et Helen Quinn ont proposé une solution élégante : une nouvelle symétrie qui ramène dynamiquement le terme incriminé à zéro. L’axion est la particule restante prédite par ce mécanisme.

Pourquoi un résolveur de problèmes crée une bonne matière noire

L’axion qui en émerge est extrêmement léger – peut-être un billionième de la masse d’un électron ou moins – et n’interagit que faiblement avec la matière ordinaire. Dans l’univers primitif, les axions auraient été produits en grand nombre, ne se déplaçant pas rapidement, formant un fond froid et invisible qui gravite exactement comme le doit la matière noire. Une particule introduite pour fixer la force forte constitue donc également une explication majeure de la masse cosmique que nous ne pouvons pas voir. Des versions plus générales, appelées particules de type axion, apparaissent dans de nombreuses théories au-delà du modèle standard.

Comment les expériences recherchent des axions

Les axions peuvent se convertir en photons dans un champ magnétique puissant. Détecteurs appelés haloscopes - comme l'expérience ADMX - utilisez un aimant puissant et une cavité micro-ondes finement réglée pour tenter de capturer les axions de la matière noire qui se transforment en photons radiofréquences faibles. Parce que la masse de l'axion est inconnue, les expériences doivent balayer lentement de nombreuses fréquences possibles, comme régler une radio pour une station dont personne ne connaît le numéro. Les astronomes recherchent également les photons que les axions produiraient à proximité des étoiles à neutrons magnétisées et dans les nuages ​​​​de gaz lointains.

Une idée fausse courante

Les axions ne sont pas les mêmes que les WIMP (particules massives à faible interaction) qui ont longtemps dominé les recherches sur la matière noire. Les WIMP sont lourds ; les axions sont extraordinairement légers. Les deux représentent des paris théoriques très différents sur ce qu’est la matière noire, et comme les recherches WIMP se sont révélées vaines, les axions ont attiré une attention croissante.

Comment un haloscope capte un axion

Le principe de détection repose sur un fait : dans un champ magnétique puissant, un axion peut se transformer en photon de même énergie totale. Puisque l'énergie d'un axion de matière noire est presque entièrement sa masse au repos, la fréquence du photon est fixée par la masse de l'axion via E = hf = m_ac². Pour la fenêtre de masse privilégiée de quelques microélectrons-volts, qui atterrit dans la bande des micro-ondes :

m_a ≈ 1-100 µeV → f ≈ 0,24-24 GHz

Une expérience comme ADMX place une cavité micro-onde accordable à l'intérieur d'un aimant puissant et balaie lentement sa fréquence de résonance, à l'écoute d'un léger excès de photons lors de l'accord de la cavité. La masse des axions étant inconnue, la recherche est minutieuse : chaque paramètre ne sonde qu'un fragment de fréquence, ce qui prend des années pour couvrir toute la plage. Le signal attendu est incroyablement faible, autour de 10⁻²³ watts, c'est pourquoi ces détecteurs utilisent des amplificateurs à limitation quantique refroidis à un niveau proche du zéro absolu.