La recherche la plus précise d’une particule mystérieuse qui pourrait expliquer la matière noire

Les scientifiques ont établi la limite la plus restrictive à ce jour dans la recherche d’axions, actuellement uniquement des particules théoriques qui pourraient être la clé pour résoudre deux des plus grands mystères de la physique moderne.

Ces travaux sont l’œuvre de scientifiques du Centre d’astroparticules et de physique des hautes énergies (CAPA) de l’Université de Saragosse en Espagne, en collaboration internationale avec le CERN (Laboratoire européen de physique des particules).

Les résultats de la nouvelle étude, publiés dans la revue académique Physical Review Letters, représentent l’aboutissement de deux décennies de travail au sein de la collaboration internationale CAST (CERN Axion Solar Telescope), démontrant que, si les axions existent, leur interaction avec la lumière doit être uniforme. plus faible que prévu. “Ce résultat améliore non seulement nos résultats précédents, mais dépasse également les limites dérivées d’arguments astrophysiques très compétitifs, comme ceux dérivés de l’observation d’étoiles dans des amas globulaires”, explique Igor G. Irastorza, chef de projet à l’Université de Saragosse. . “C’est particulièrement important car, contrairement aux observations astrophysiques, nos résultats sont basés sur des mesures directes effectuées dans des conditions contrôlées en laboratoire.”

Les axions sont des particules postulées à la fin des années 1970 qui pourraient simultanément expliquer l’origine de la matière noire et résoudre l’une des énigmes les plus profondes de la physique des particules, le « problème du CP fort ». Les axions sont également des candidats idéaux pour expliquer la matière noire, cette forme mystérieuse de matière qui constitue environ 85 % de toute la matière de l’univers et que, aujourd’hui, nous ne pouvons détecter qu’en raison de ses effets gravitationnels.

L’expérience CAST utilise un prototype d’aimant de l’accélérateur de particules LHC transformé en un télescope très spécial, capable de pointer vers le noyau solaire et de convertir les axions en rayons X détectables. Le groupe CAPA a réussi à doubler l’efficacité de détection de ces axions dans la dernière phase de l’expérience CAST. “Au cours du développement de ma thèse, nous avons réussi à améliorer considérablement la sensibilité de l’expérience”, explique Cristina Margalejo, chercheuse prédoctorale au CAPA spécialisée dans les détecteurs de rayons X à très faible bruit de fond. “Cela nous a permis d’établir ces limites très restrictives. dans la recherche d’axions. La clé a été le développement de nouvelles techniques d’analyse et l’utilisation de nouvelles optiques à rayons X qui, associées à un nouveau mélange gazeux pour notre détecteur à base de xénon, nous ont permis de réduire le bruit de fond là où nous l’attendons. signe.”

Cristina Margalejo dans l’expérience CAST au CERN, où les résultats les plus précis à ce jour ont été obtenus dans la recherche d’axions solaires. (Photo : CAPA / Université de Saragosse / CERN)

La nouvelle limite établie pour le couplage axion-photon est de 5,8×10⁻¹¹ GeV⁻¹, ce qui représente une amélioration substantielle par rapport aux mesures précédentes. “Les résultats peuvent être visualisés dans ce que nous appelons un graphique d’exclusion, qui est comme une carte où l’on écarte les régions où l’axion ne peut pas vivre”, explique Jaime Ruz, expert en optique à rayons X possédant une vaste expérience en CAST. “Avec CAST, nous avons réussi à explorer les masses des axions avec une sensibilité qu’aucune autre expérience n’avait atteinte auparavant, en nous rapprochant d’une région très prometteuse où la théorie prédit les principaux modèles d’axions, même si nous pourrions également trouver d’autres particules de type axionique en dehors de cette région”.

Toutes les connaissances techniques accumulées seront fondamentales pour IAXO (International Axion Observatory), le prochain grand projet dans ce domaine en cours de construction au German Electron Synchrotron (DESY). L’observatoire IAXO, dirigé par Igor G. Irastorza de l’Université de Saragosse, représentera un saut qualitatif dans la recherche d’axions, avec une sensibilité bien supérieure à celle de CAST. Les avancées techniques développées par l’équipe CAPA, qui dirige la conception et la construction des systèmes de détection IAXO, seront cruciales pour le succès de cette nouvelle infrastructure scientifique. (Source : CAPA / Université de Saragosse)