mercredi 11 avril 2018

Matière noire : on passe à l'axion ?


Une des alternatives tout à fait crédible dans le monde des particules pour expliquer la présence de grandes quantités de masse invisible autour des galaxies et des amas de galaxies, est constituée d'une particule hypothétique très légère, inventée il y a plus de 40 ans pour résoudre une anomalie de l'interaction forte dans les neutrons : l'axion. L'expérience phare qui traque ces particules, ADMX, vient de passer un cap très important en sensibilité de mesure, ce qui pourrait mener à une découverte d'ici quelques années, ou demain...




ADMX (Axion Dark Matter Experiment) est une expérience qui est installée à l'Université de Washington à Seattle. Contrairement aux expériences de recherche directe de WIMPs (la candidat encore préféré pour expliquer la masse invisible), qui doivent se protéger fortement des parasites du rayonnement cosmique en s'enterrant dans des laboratoires souterrains à grande profondeur, rien de tel pour la recherche des axions via la détection de leurs interactions. 
L'origine de l'invention des axions en 1977 par Helen Quinn et Roberto Peccei vient de l'observation que les quarks respectent la symétrie CP dans les neutrons alors qu'ils ne devraient pas d'après la théorie standard de l'interaction nucléaire forte.
La symétrie CP (symétrie couplée 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 alors exactement comme le paquet précédent et se comporte de la même façon. 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 des interactions entre gluons se retrouve comme par miracle très très proche de zéro. La seconde solution consiste à imaginer un mécanisme encore inconnu qui annulerait l'interaction qui nous embête.
L'axion est le produit de cette seconde solution. Roberto Peccei and Helen Quinn ont imaginé en 1977 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. Les axions sont simplement les particules associées à ce nouveau champ quantique, 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 probablement... Helen Quinn et Roberto Peccei ont obtenu la reconnaissance de leurs pairs en 2013 en recevant ensemble le fameux prix J.J. Sakurai for Theoretical Particle Physics, qui est décerné chaque année par l'American Physical Society.
La théorie de l'axion a depuis été raffinée et existe sous deux modèles différents : le modèle de Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov (KSVZ) et le modèle de Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky (DFSZ).

Mais revenons à la matière noire et à la détection des axions. L'axion est une piste très intéressante car si il existe réellement, il se trouve en très grande quantité dans l'Univers, et il possède une masse... Les observations astrophysiques et la théorie fournissent des limites très fortes sur la masse de l'axion : celle-ci doit impérativement se situer entre 1 µeV (un millionnième d'électron-volt) et 100 µeV. Il se trouve que les axions doivent interagir non seulement avec les gluons de l'interaction nucléaire 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 qui est créé est elle aussi très petite, ce qui donne une longueur d'onde assez grande, dans le domaine des ondes radio.

Le principe de ADMX est simple : les chercheurs produisent un champ magnétique intense dans une boîte qui est appelée un haloscope, et ils cherchent à détecter des ondes radio qui sortiraient de cette boite (une cavité résonante) à une certaine fréquence, correspondant à la masse-énergie des axions. L'expérience en elle-même est un peu plus complexe, puisqu'il faut produire un champ magnétique énorme (150 000 fois plus intense que le champ magnétique terrestre), les physiciens utilisent pour cela un aimant supraconducteur refroidi à une température proche du zéro absolu (150 mK), qui pèse la bagatelle de 6 tonnes. Et puis le signal radio attendu étant quand même très faible, les physiciens doivent amplifier le signal par un facteur 100000 pour le détecter. Le haloscope de ADMX est ainsi capable détecter une puissance de un milliardième de milliardième de milliardième  de Watt (10-27 W) et il est adapté pour détecter les deux types théoriques d"axions : l'axion KSVZ et l'axion DFSZ, ce qui fait sa grande force. 

Enfin, et ce n'est pas la moindre des contraintes expérimentales, on ne sait pas à l'avance quelle masse auraient les axions, et donc à quelle fréquence seraient les photons qu'ils produiraient dans le champ magnétique. Il faut donc écouter soigneusement toutes les fréquences radio possibles, en faisant une sorte de scanning sur la bande radio jusqu'à trouver la bonne fréquence, et ça prend beaucoup de temps... Le haloscope de ADMX est souvent comparé à un gros récepteur de radio qui cherche en continu la bonne station. 

La collaboration ADMX vient de publier dans Physical Review Letters ses premiers résultats qui permettent d'exclure une partie de l'espace des possibles théoriques. Pour la première fois depuis 30 ans et le début de ce programme expérimental, les physiciens arrivent à atteindre la sensibilité de détection qui doit être celle prédite par la théorie des axions. Ils peuvent ainsi éliminer pour la première fois une région de masse pour l'axion, ici la plage comprise entre 2,66 et 2,81 µeV (correspondant à la plage de fréquence 640–685 MHz), grâce à l'excellente sensibilité de leur détecteur, qu'ils ont grandement amélioré depuis plusieurs années. 
Les physiciens américains estiment désormais que durant les quelques années qui viennent, ils devront voir les axions si ils existent. En revanche, si ils ne les voient pas, cela signifiera 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... Le fonctionnement optimal du détecteur ADMX en continu signifie aussi qu'une découverte pourrait être faite n'importe quand à partir de maintenant, pourquoi pas ce soir ? Ou jamais, bien sûr...



Source

Search for Invisible Axion Dark Matter with the Axion Dark Matter Experiment
N. Du et al. (ADMX Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 120, 151301 (9 April 2018)

Illustrations

1) Principe de détection du haloscope de ADMX (C. Boutan/Pacific Northwest National Laboratory; APS/Alan Stonebraker) 

2) Vue de l'installation expérimentale de ADMX (Mark Stone/University of Washington)

3) Diagramme de Feynman de la production de photons par un axion (Caltech)

4) Schéma du haloscope de ADMX (LLNL)

7 commentaires :

APolitic a dit…

Les hypothétiques axions constitueraient l'hypothétique matière noire?

Que l'on cherche à détecter les axions ne me parait pas du tout stupide.
Mais les rapprocher de la matière noire...

Il y a que moi qui trouve souvent ridicules les 'articles' qui touchent à la matière noire ?

Dr Eric SIMON a dit…

La science avance très souvent en faisant des hypothèses, c'est une démarche tout à fait classique. L'anomalie de la dynamique des galaxies et des amas de galaxies qui est observée depuis les années 1930 peut être expliquée en faisant deux types d'hypothèses : soit la gravitation est différente de ce qu'on pense, soit il y a plus de matière que ce qu'on voit. Deux hypothèses aussi stupides l'une que l'autre, mais que l'on cherche à éliminer l'une comme l'autre pour ne garder que la bonne.
Quant aux axions pour former la matière noire, c'est juste les meilleurs candidats aujourd'hui après les WIMPs, et ce depuis une trentaine d'années.

Yves a dit…

Bonjour,

Les axions seraient même sans-doute de meilleurs candidats que les WIMP : je pense à la théorie de la matière noire superfluide de Justin Khoury (https://arxiv.org/abs/1605.08443), qui aurait l'avantage de réconcilier les observations faites d'une part à l'échelle des galaxies, d'autre part aux échelles cosmologiques, des amas de galaxies jusqu'au CMB (où les succès du modèle LambdaCDM sont incontestables).

Et pour expliquer la matière noire je préfèrerais une particule (ou un champ), dont l'existence a été initialement postulée pour résoudre un problème en physique des particules et qui ne serait donc qu'un complément souhaitable (ou indispensable?) du modèle standard, à une particule "inventée" de manière ad'hoc sans relation avec ce modèle...

Pascal a dit…

L’intérêt théorique des WIMPs est (était ?) que leur densité relique calculée coïncide avec la densité de matière noire observée ; est-ce aussi le cas des axions ?

Dr Eric SIMON a dit…

Oui, à quelques paramètres libres (mais contraints) près, je renvoie vers le pdg par exemple, où la densité relique des axions est explicitée : http://pdg.lbl.gov/2013/reviews/rpp2013-rev-dark-matter.pdf

olivdeso a dit…

très intéressant. c'est v'air que si l'émission est dans la bande 300MHz à quelques Ghz, ça va pas être simple à détecter vue le bruit ambiant radio dans ces bandes. Sans compter la taille des antennes nécessaires...peut être pour ça qu'on est passé à côté jusque là.


Henri SOY a dit…

Et d'ailleurs pour compléter la réponse d'Eric, en réponse à APolitic, c'est ce genre de démarche qui a été utilisé par le passé. Je vais citer comme exemple : l'anomalie d'Uranus, et l'avance de périhélie de Mercure.

- dans l'anomalie d'Uranus, juste après sa découverte, on a vu qu'Uranus ne décrivait pas une trajectoire conforme aux lois de Newton, alors on a postulé qu'il y avait peut-être un corps qui perturbait sa trajectoire, Le Verrier découvre Neptune par le calcul
- dans l'avance de périhélie de Mercure, on a également supposé qu'il y avait un corps qui perturbait la trajectoire de Mercure : Vulcain, objet que l'on n'a jamais découvert, du coup, on a remis en cause la loi de Newton, c'est la relativité générale.

Dans les deux démarches, on a soit supposé que les lois étaient correctes, mais quelque chose que l'on n'avait pas vu avant perturbait les choses (hypothèse matière noire ==> hypothèse Neptune), ou bien que la théorie était insuffisante (hypothèse MOND ==> RG).

Les deux démarches sont complètement légitimes.

Ceci étant dit... on sait aujourd'hui que le Modèle Standard de la physique des particules n'est pas le tableau final. Les théories étendant le modèle standard prévoient des champs supplémentaires, notamment des particules supersymétriques.