mercredi 6 novembre 2013

Axions : l'Autre Matière Noire

Maintenant que l'hypothèse des WIMPs pour expliquer la matière noire se trouve quelque peu mise à mal par les résultats récents de l'expérience LUX, le temps est peut-être venu de vous parler de l'autre (d'une autre) hypothèse pour expliquer la masse manquante : les Axions. Les quoi ? Les axions ! (mais si, et il n'y a pas de faute d'orthographe, je vous rassure).

Bon alors, c'est quoi, les axions ? Ce sont des particules, vous vous en serez douté. Elles ont été inventées dans les années soixante-dix, un peu avant le concept de WIMP d'ailleurs. Les axions, dont le nom vient de la notion d'axe de symétrie, n'ont pas du tout été inventés pour résoudre le problème de la matière noire, mais pour résoudre une anomalie qui apparaît dans la force nucléaire forte, cette force qui lie entre eux les quarks par l'intermédiaire des gluons à l'intérieur des protons et des neutrons (entre autres).

Schéma de la composition des neutrons
et protons (University of California)
Pour bien comprendre, il faut se rappeler quelques notions de symétries. En physique des particules, il existe trois grandes symétries :
C : la symétrie de charge, ce qui se passe lorsqu'on inverse toutes les charges d'une particule (par charge, on entend non seulement la charge électrique mais aussi tous les nombres quantiques caractérisant les particules : nombre baryonique, nombres leptoniques, ...)
P : la symétrie de parité, ce qui se passe lorsqu'on renverse les référentiels (effet miroir)
T : la symétrie de temps, lorsqu'on inverse la flèche du temps...

Elles peuvent ensuite être appliquées les unes avec les autres pour donner de nouveaux types de symétries, comme la symétrie CP, ou la totale : CPT.

Le problème est que l'on a observé que les quarks et les gluons respectaient la symétrie CP dans les neutrons, alors qu'ils ne devraient pas d'après ce que prédit la théorie de l'interaction forte, par ailleurs bien comprise et testée très précisément depuis longtemps. Comme l'interaction faible brise la symétrie CP, on s'attendrait à ce que l'interaction forte la brise aussi... 
La symétrie CP (symétrie de charge et de parité) peut être visualisée si on imagine qu'à partir d'un paquet de quarks et de gluons, on inverse toutes les particules ainsi que leurs positions et leurs vitesses. Le paquet de particules apparaît exactement comme le paquet précédent et se comporte de la même façon.

Diagramme de Feynman de la désintégration de l'axion en deux photons
Si la symétrie CP était brisée dans la force nucléaire forte, le neutron, qui est composé de deux quarks down et un quark up plus une kyrielle de gluons, aurait plus de charges positives associées à l'un de ses pôles magnétiques et plus de charges négatives associées à son autre pôle magnétique. Cette distribution, de charges qu'on appelle le moment dipolaire électrique du neutron, subirait alors une inversion lorsqu'on inverse tous les paramètres dans la transformation CP. Mais les physiciens nucléaires ont montré depuis quelques décennies que le neutron ne se comportait pas du tout comme ça, il n'a aucun moment dipolaire électrique. La symétrie CP semble donc régner dans l'interaction nucléaire forte.

Et ce n'est pas cohérent avec la théorie (qu'on appelle la chromodynamique quantique). Cette dernière stipule que certaines interactions entre gluons doivent briser la symétrie CP.
Il y a alors deux possibilités pour remédier à ce "strong CP problem" comme disent les physiciens : le premier consiste à faire en sorte que le paramètre qui régit l'intensité de ces fameuses interactions entre gluons se retrouve comme par miracle très très proche de 0. La seconde solution consiste à imaginer un mécanisme encore inconnu qui annule l'interaction qui nous embête.
Helen Quinn (SLAC)

Vous avez compris que notre Axion est un produit de cette seconde solution. C'est en 1977 que les théoriciens américains Roberto Peccei and Helen Quinn ont trouvé cette solution extrêmement  élégante. Ils ont imaginé que le vide comportait un nouveau champ quantique, un peu à l'image d'un champ électrique, qui interagit avec les gluons de telle manière que l'interaction violant CP disparaisse. Et les axions sont simplement les particules associées à ce nouveau champ, comme le boson de Higgs est la particule associée au champ du même nom ou le photon est celle du champ électromagnétique.

L'Axion aurait pu s'appeler le boson de Peccei-Quinn ou de Quinn-Peccei, mais le nom d'axion, plus simple, est resté, et restera... Mais Helen Quinn et Roberto Peccei ont obtenu la reconnaissance de leurs pairs cette année en recevant ensemble le prix J.J. Sakurai for Theoretical Particle Physics, qui est décerné chaque année par l'American Physical Society, prix qu'obtinrent François Englert et Peter Higgs en 2010...
Roberto Peccei (UCLA)

Et le lien avec la matière noire? me direz vous... Et bien, il se trouve qu'une quantité considérable d'axions, si le mécanisme s'avère correct, a dû être créée dans l'Univers primordial. Et bien sûr, l'axion possède une masse. Les observations astrophysiques fournissent des limites très fortes sur la masse de l'axion : elle doit impérativement se situer entre 1 µeV (un millionnième d'électron-volt) et 1000 µeV. 
Vous pensez bien que des équipes se sont mises en quête de détecter les axions... Sur le papier, ça a l'air relativement simple : il se trouve que les axions doivent interagir non seulement avec les gluons de la force forte mais aussi avec les photons de la force électromagnétique. 
En passant dans un champ magnétique, l'axion peut se transformer, avec une certaine probabilité, en photon!
Mais étant donné leur très petite masse, l'énergie correspondante du photon créé est elle aussi très petite, ce qui donne une longueur d'onde assez grande, dans le domaine des ondes radio.

L'aimant de ADMX (Washington University)
C'est exactement ce type de détection que cherchent à exploiter les américains de la collaboration ADMX (Axion Dark Matter Experiment) de l'Université de Washington. Ils ont construit un détecteur très inhabituel pour le milieu de la physique des astroparticules.  Il consiste à produire un énorme champ magnétique dans une sorte de grosse boîte et a essayer de détecter la moindre onde radio qui en sort. La technologie utilisée est à la pointe, avec un aimant supraconducteur de 6 tonnes de 1 m de long, qui produit un champ magnétique plus de 150000 fois plus élevé que le champ magnétique terrestre.
Ils utilisent également une cavité spécifique pour amplifier le signal radio par un facteur 100000...
Et ce n'est pas tout, pour améliorer le rapport signal/bruit, le tout doit être refroidi à très basse température, tout corps chauffé émettant des infra-rouges mais aussi des ondes radio. C'est donc à des températures de l'ordre du dixième de Kelvin que le détecteur de ADMX est refroidi.
Pour simplifier, il suffit de dire que ADMX est le récepteur radio le plus sensible du monde. Il peut détecter un milliardième de milliardième de milliardième de Watt (10-27).

ADMX va démarrer à la fin de l'année avec une toute nouvelle technologie ultra-performante à base de SQUIDs (détecteurs supraconducteurs). Les physiciens estiment que durant les trois années qui viennent, ils doivent voir les axions si ils existent. Si ils ne les voient pas, cela voudra dire que le mécanisme de Peccei-Quinn n'est pas la bonne méthode pour évacuer le strong CP problem, et que la matière noire est encore faite d'autre chose...


2 commentaires :

Philippe Guglielmetti a dit…

Au CERN il y a la "petite" expérience CAST qui vise a détecter des axions produits par le Soleil : https://fr.wikipedia.org/wiki/CAST_(observatoire)

A ma connaissance elle n'a rien détecté de significatif ( http://arxiv.org/abs/hep-ex/0411033 )
Est-ce normal, Docteur ?

Dr Eric SIMON a dit…

Normal, normal... tout est normal, tant qu'on ne connait pas bien ce qu'on cherche, non ? Disons que dans cette manip, ils obtiennent une limite d'exclusion, qui est compatible avec les modèles d'axions (voir le graphe de la page 4). Donc, normal, oui...