samedi 30 mars 2019

Un détecteur de matière noire plus qu'improbable...


C'est une expérience de recherche de matière noire pas comme les autres : elle est dédiée à la détection des axions, et elle a été nommée par ses concepteurs (défense de rire) ABRACADABRA. Oui, je sais, les physiciens sont des gens parfois surprenants. Trouver de la matière noire relève parfois de la magie, il semblerait... Les tous premiers résultats de cette nouvelle expérience viennent d'être publiés et s'avèrent négatifs (vous l'aurez compris), mais ce n'est qu'un petit début pour cette nouvelle expérience magique qui n'a pas fini d'explorer le monde des axions.




Les axions, rappelons-le sont des particules encore hypothétiques, nées d'une théorie issue de la chromodynamique quantique (la physique des quarks) à la fin des années 1970 pour expliquer tout autre chose que la masse manquante de l'Univers (la brisure de la symétrie CP par la force nucléaire forte dans les nucléons). Mais comme cette particule aurait une masse, certes petite, voire toute petite, mais qu'elle existerait en grand nombre, il se pourrait que ce soit en même temps la solution pour expliquer la matière noire. 

Plusieurs expériences de part le monde, surtout aux Etats-Unis, ont été montées pour tenter de détecter la présence d'axions, qui devraient se manifester en se transformant en photons lorsqu'ils traversent un intense champ magnétique. ABRACADABRA est l'une d'entre elles. Il s'agit bien sûr d'un acronyme, trouvé après coup semble-t-il qui signifie A Broadband/Resonant Approach to Cosmic Axion Detection with an Amplifying B-field Ring Apparatus. Elle a été imaginée en 2016 par trois physiciens théoriciens américains au MIT pour reproduire en laboratoire ce qui se passe autour d'un magnétar, une étoile à neutrons fortement magnétisée. C'est en effet dans les champs magnétiques les plus intenses que les axions peuvent le plus facilement interagir, plus exactement se transformer en rayonnement électromagnétique dans la longueur d'onde radio. Lorsque les axions se retrouvent en présence d'un champ magnétique, ils  induisent donc la production d'un autre champ magnétique. Et c'est cet effet que les physiciens de ABRACADABRA exploitent dans leur détecteur, en mesurant le champ magnétique avec un magnétomètre ultra-précis. 


Lindley Winslow et son équipe ont proposé une machine utilisant un aimant supraconducteur en forme de tore, refroidi à une température proche du zéro absolu dans un cryostat. Si aucun axion n'est présent, le centre du tore doit montrer un champ magnétique exactement nul. En revanche, si des axions sont présents et interagissent, un tout petit champ magnétique doit apparaître au centre du tore, dont l'intensité doit dépendre de la masse des axions. On parle ici de champs magnétiques extrêmement faibles, d'environ 20 attoTesla (20.10-18 T). Pour comparer, on peut se rappeler que votre cerveau génère un champ magnétique de 10-12 T, donc 50000 fois plus fort que le signal recherché, et que le champ magnétique terrestre vaut 30 microTesla (1500 milliards de fois plus que le signal recherché...). Un des gros challenges de cette expérience abracadabrantesque pas plus grosse qu'un ballon de basket était donc son blindage électromagnétique contre tous les bruits de fond magnétiques environnants, de la station radio du coin à la petite LED incluse dans l'oscilloscope utilisé à côté du cryostat. 

Pour cette première campagne expérimentale qui a eu lieu à l'été 2018, dont les résultats négatifs font l'objet d'une publication dans Physical Review Letters, les chercheurs ont exploré (et donc exclu) la plage de masse comprise entre 0,31 neV et 8,3 neV (nano-électronvolts). Mais ce n'est qu'un début, car ABRACADABRA est conçue pour détecter des potentiels axions dont la masse peut s'étaler entre 1 femtoelectronvolt (10-15 eV) et 1 microeV (10-6 eV).
Les physiciens américains sont optimistes pour le futur de leur expérience avec cette installation qui n'est aujourd'hui qu'un prototype pour un détecteur de plus grande dimension, financé aux Etats-Unis par la National Science Foundation et le Department of Energy. Ils savent que ce qu'ils font est très risqué techniquement, mais que ça peut rapporter très très gros scientifiquement...

(bien que ce billet ait été rédigé peu avant le 1er avril, les informations données sont rigoureusement exactes, il ne s'agit pas d'une blague!)


Source

First Results from ABRACADABRA-10 cm: A Search for Sub-μeV Axion Dark Matter
Jonathan L. Ouellet, Chiara P. Salemi, Joshua W. Foster, Reyco Henning, Zachary Bogorad, Janet M. Conrad, Joseph A. Formaggio, Yonatan Kahn, Joe Minervini, Alexey Radovinsky, Nicholas L. Rodd, Benjamin R. Safdi, Jesse Thaler, Daniel Winklehner, and Lindley Winslow
Phys. Rev. Lett. 122, 121802 – (29 March 2019)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.121802


Illustrations

1) Le détecteur prototype ABRACADABRA-10 cm utilisé dans cette étude (Ouellet et al.)

2) Diagramme de la désintgration d'un axion en deux photons.

3) Vue de la CAO du détecteur (MIT)