Des indices d'axions ultra-légers révélés par une lentille gravitationnelle

Une équipe d'astrophysiciens vient de découvrir que les anomalies observées dans des lentilles gravitationnelles s'expliquent beaucoup mieux en considérant que la matière noire est composée d'axions plutôt que de WIMPs, une avancée qui peut s'avérer majeure. Ils publient leur étude dans Nature Astronomy.

Les axions détectables sous forme de miniclusters traversés par des étoiles à neutrons

Bonne nouvelle! Il existe une nouvelle voie de détection des axions, les autres particules candidates sérieuses pour expliquer la matière noire. Elle fait intervenir des étoiles à neutrons et leur puissant champ magnétique et l'hypothèse de la présence de miniclusters d'axions, des groupes de particules qui sont restées liées entre elles par la gravitation depuis le début de l'Univers. L'étude des physiciens européens qui décrit l'effet détectable associé à la rencontre d'étoiles à neutrons avec ces miniclusters est publiée dans Physical Review Letters.    

Matière noire (axions) : nouveaux résultats de deux haloscopes

A 8 jours d'intervalle ont été publiés les résultats de deux expériences de recherche des axions, l'expérience sud-coréenne CAPP et l'italienne QUAX-aℽ . Les deux sont fondées sur la même technique de détection mais n'ont pas scanné la même zone de masse de l'axion.  Des études publiées dans Physical Review Letters et Physical Review D sous les titres First Results from an Axion Haloscope at CAPP around 10.7 μeV et Search for invisible axion dark matter of mass ma=43 μeV with the QUAX-aγ experiment.

Un excès de rayons X sur des étoiles à neutrons mène sur la piste des axions

En novembre dernier, une équipe d'astrophysiciens découvrait un excès de rayons X de quelques keV provenant de plusieurs étoiles à neutrons proches, impossible à expliquer. Une piste envisagée était la production de ces photons X par des axions créés dans l'étoile à neutrons et transformés en photons dans le champ magnétique de l'étoile à neutrons. Aujourd'hui, la même équipe a creusé l'idée et montre qu'effectivement, un modèle d'axions permet d'expliquer complètement les rayons X de 2 à 8 keV qui sont observés. Une étude publiée dans Physical Review Letters.

Les astrophysiciens théoriciens Malte Buschmann, Raymond Co, Christopher Dessert et Benjamin Safdi (Université du Michigan, Université du Minnesota et Université de Californie) se sont intéressés à 7 étoiles à neutrons proches qui ont la particularité de ne pas être des pulsars : soit elles n'émettent pas d'ondes radio ou bien l'axe d'émission de leur faisceau radio n'intercepte pas la Terre. Ce groupe d'étoiles à neutrons est surnommé les "7 mercenaires" ("The magnificent 7"), en référence au western de John Sturges de 1960. Elles sont les sept étoiles à neutrons les plus proches de la Terre, situées entre 123 pc et 430 pc (entre 400 et 1400 AL) et ont la particularité d'être des étoiles à neutrons isolées, des XDINS (X-ray Dim Isolated Neutron Stars), elles ne sont pas accompagnées de résidu nébuleux de supernova, ni de compagne.

Le fait qu'elles ne montrent pas de pulsations radio et qu'elles se trouvent dans un environnement calme et vide permet de les utiliser comme de véritables laboratoires, car cela implique qu'elles ne doivent produire qu'une émission thermique, le rayonnement associé à la température de leur surface, qu'on appelle un "rayonnement thermique" (ou rayonnement de corps noir). Il s'agit d'un spectre d'émission qui est caractéristique de la température du corps en question. Ces étoiles à neutrons ne doivent donc pas montrer de rayonnement "non-thermique", qui serait associé à des phénomènes de réactions entre particules ou autre. 

A la température de surface qui est la leur (entre 500 000 et 1 million K, ces étoiles à neutrons rayonnent principalement dans le domaine des UV lointains et des rayons X : de quelques dizaines d'eV jusqu'à environ 100 eV.

Mais en regardant de près les données archivées des télescopes X Chandra et XMM-Newton qui avaient observé les 7 mercenaires il y a quelques années (avec des durées d'exposition différentes), les chercheurs américains ont vu qu'il existait dans les spectres d'au moins deux d'entre elles (et pour quatre autres avec moins de robustesse) des photons d'énergie bien plus élevée, entre 2 et 8 keV, qui ne correspondent pas au spectre du rayonnement thermique. L'étoile à neutrons du groupe qui montre le plus de rayons X durs (énergie de l'ordre du keV) est aussi celle qui a bénéficié de la plus grande durée d'observation par Chandra, il s'agit de la dénommée J1856. C'est aussi la plus proche des sept (123 pc) et l'une des plus froide (kT = 50 eV). J1856 a un champ magnétique qui a été évalué à 2,9 10¹³ Gauss.

Les chercheurs, dans leur étude de novembre dernier, ont analysé toutes les solutions possibles et imaginables pour expliquer la présence de ces rayons X de quelques keV en excès. Et rien ne collait. Ils concluaient que peut-être que ces photons énergétiques pouvaient provenir de nouvelles particules comme par exemple les axions (particule candidate pour la matière noire et pour résoudre le problème de la violation de CP dans l'interaction forte), des axions qui pourraient selon la théorie être produits dans le coeur des étoiles à neutrons et s'en échapper facilement. Et comme les axions interagissent avec les champs magnétiques pour produire des photons... 

C'est donc pour poursuivre cette précédente étude et creuser l'idée que Buschmann et ses collaborateurs ont calculé le plus précisément possible ce que donnerait un flux d'axions ou de particules de type axions (il existe de nombreuses variantes) crées thermiquement dans le coeur d'une étoile à neutrons, un phénomène prévu théoriquement, et ce qu'il produirait dans la magnétosphère d'une étoile à neutrons comme J1856. Il y a bien sûr des paramètres inconnus dans le modèle comme la masse du boson de Peccei-Quinn (l'autre nom de l'axion) ou bien l'intensité de sa constante de couplage avec les photons et avec les nucléons (on a besoin de connaître ces deux couplages (intensité d'interaction) dans le cas d'axions sortants d'une étoile à neutrons.

Vous l'aurez compris, les chercheurs parviennent à retrouver la forme de la distribution énergétique des rayons X durs qui sont observés entre 2 keV et 8 keV, découpés en trois bins d'énergie (2-4 keV; 4-6 keV et 6-8 keV). Mais ce qui est le plus excitant c'est que le modèle d'axions utilisé ici ne permet pas seulement de reproduire l'excès de rayons X durs de J1856, mais aussi ceux des 6 autres "mercenaires" ! tout d'abord celui de J0420, la deuxième plus exploitable (entre 2 keV et 8 keV), mais aussi ceux de J0806, J1605, J0720, J1308, et J2143 (entre 4 et 8 keV) qui sont pourtant environ 10 fois plus faibles que pour J1856 et J0420. 

Le résultat permet alors de fixer des contraintes sur les paramètres libres de la masse de l'axion et de ses constantes de couplage. Le meilleur ajustement global obtenu donne une masse de l'axion qui est inférieure à 10 µeV et le produit des constantes de couplages g_aγγ × g_ann est de 4. 10⁻²⁰ GeV⁻¹.  dans un intervalle de confiance de 95%, tenant compte des incertitudes statistiques et théoriques.

Il est absolument remarquable d'obtenir des paramètres d'axion qui permettent de produire des résultats cohérents pour 7 étoiles à neutrons différentes! Par ailleurs, Buschmann et ses collaborateurs ne peuvent qu'obtenir une valeur du produit des deux constantes de couplage de l'axion (avec les photons et les nucléons) g_aγγ × g_ann. Mais il existe des contraintes observationnelles (des limites d'exclusions) pour chacune de ces deux constantes indépendamment : g_aγγ est contrainte par l'expérience CAST de recherche directe des axions au CERN qui a pu fixer une limite supérieure à la constante de couplage suite à sa non-détection d'axions : g_aγγ < 6,6 × 10⁻¹¹ GeV⁻¹ pour les masses de l'ordre de 10 µeV. Et g_ann a été contrainte, elle, par des analyses fines de la supernova 1987A : g_ann < 1,4 × 10⁻⁹ . Lorsque l'on fait le produit de ces deux inégalités, on obtient une limite supérieure pour g_aγγ × g_ann :   g_aγγ × g_ann < 9,2 10^-20 GeV^-1. La valeur obtenue par Buschmann, Co, Dessert et Safdi dans leur meilleur ajustement global ( 4. 10⁻²⁰ GeV⁻¹) est donc cohérente avec les contraintes d'autres observations...

Les chercheurs restent prudents dans la conclusion de leur article : ils ne clament pas la découverte des axions, mais disent simplement que l'excès de rayons X durs des étoiles à neutrons du groupe des 7 mercenaires est très bien reproduit par un modèle d'axions qui seraient créés dans le coeur des étoiles à neutrons et interagissant ensuite dans leur champ magnétique, et ils précisent qu'il n'existe aujourd'hui pas d'autres explication viable pour cet excès.

Ils ajoutent enfin qu'une série d'observations à moyen terme pourraient établir définitivement la découverte.  Des observations plus longues et à plus haute énergie notamment sur les deux étoiles les plus prometteuses du groupe des 7, avec un télescope X comme NuSTAR pourraient selon eux renforcer la solution axions, les rayons X durs produits par les axions devant être plus nombreux entre 10 et 60 keV, et avec moins de sources parasites possibles. D'autre part, Buschmann et ses collaborateurs prédisent que le flux de rayons X produit par des axions devrait montrer une pulsation avec une période correspondant à la période de l'étoile à neutrons, or une telle pulsation du rayonnement X devrait être mesurable par le futur télescope spatial ATHENA (Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics) dont le lancement est prévu fin 2031.

Pour finir, les chercheurs proposent à la communauté d'élargir le champs des recherches au delà des étoiles à neutrons, car tous les systèmes à fort champ magnétique pourraient produire des signes d'axions du type qui est envisagé ici, notamment des naines blanches dont certaines arborent un champ magnétique très intense, et qui ont le bon goût de ne produire aucun rayon X dur, théoriquement...

Source

Axion Emission Can Explain a New Hard X-Ray Excess from Nearby Isolated Neutron Stars

Malte Buschmann, Raymond Co, Christopher Dessert, Benjamin Safdi

Physical Review Letters 126 (12 january 2021)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.021102

Illustrations

1) Vue d'artiste d'une étoile à neutrons isolée (Casey Reed - Penn State University - Casey Reed - Penn State University)

2) Comparaison des flux de rayons X dur mesurés sur les 7 étoiles à neutrons avec ceux calculés avec le modèle d'axions (entre 2 et 8 keV pour les deux premières et entre 4 et 8 keV pour les 5 autres)  (Buschmann et al.)

Matière Noire : Les axions solaires ne peuvent pas expliquer l'excès de signal potentiel de XENON1T

Comme vous le savez, sur Ça Se Passe Là-Haut, on ne parle que d'articles scientifiques qui ont été publiés dans des revues à comité de lecture, donc d'articles vérifiés et validés par d'autres chercheurs experts du domaine. En juin dernier est paru un préprint sur arXiv de la collaboration XENON1T dont j'attends avec impatience la publication dans un journal pour pouvoir en parler... Ce papier serait très intéressant car il montrerait un excès de signal à basse énergie dans le signal détecté par le grand détecteur de matière noire. Or il se trouve que, avant même que cet article soit publié "sérieusement", une des hypothèses émises dans le préprint (il y en a plusieurs), celle d'une interaction d'axions solaires, vient d'être violemment retoquée dans un article publié (lui, en bonne et due forme) par des chercheurs italiens dans la prestigieuse Physical Review Letters, dont je vais donc longuement vous parler, à défaut de l'autre... 

Axions : Superbes avancées expérimentales et théoriques

L'axion, ou boson de Peccei-Quinn, est un candidat très sérieux pour être la particule de matière noire tant recherchée. De nombreuses équipes partout dans le monde travaillent à sa détection, tandis que des théoriciens creusent le modèle théorique proposé en 1977. Aujourd'hui, une équipe d'expérimentateurs coréens publie ses premiers résultats pour une plage de masse autour de 6,7 µeV en atteignant une sensibilité record, tandis que deux théoriciens américain et japonais démontrent que le champ quantique associé à l'axion, en plus de la non violation de la symétrie CP dans l’interaction forte pour laquelle il avait été imaginé, peut aussi expliquer l'asymétrie matière/antimatière, en plus de la matière noire... Deux études parues dans le même numéro de Physical Review Letters.   

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.

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...

Calcul théorique de la masse des axions, particules candidates pour la matière noire

Des calculs massifs ont permis à des physiciens hongrois et allemands de prédire quelle devrait être la masse de l'axion, une particule candidate très intéressante pour expliquer la matière noire. Ils publient leur découverte dans le journal Nature.

Possibles traces d'Axions en provenance du Soleil

Une équipe d'astronomes vient peut-être de mettre en évidence un signal indirect de l'existence de matière noire sous forme d'axions, et oui, encore eux... mais en provenance du Soleil cette fois... C'est en observant des rayons X dans la proximité de la Terre que cette équipe en est venu à cette conclusion.

Comme nous en avons déjà parlé ici encore très récemment, les axions, particules pour l'instant hypothétiques, peuvent, du fait de leur masse (certes très faible) et de leur quantité potentielle dans l'Univers, représenter une grande majorité de la matière noire. Ces axions auraient des propriétés physiques peu communes, comme celle de se transformer en photons en présence de champs magnétiques.

Le Soleil (SDO/NASA)

Le leader de cette équipe, George Fraser, est malheureusement décédé deux jours avant le soumission de leur article relatant ce qui pourrait être considéré comme la première pierre d'une découverte dans quelques années, aux Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, à paraître le 20 octobre. Un article de 67 pages contenant 39 figures!

Des axions pourraient être produits au cœur du Soleil, traverser facilement les couches internes de notre étoile, puis arriver à la périphérie de la Terre, où, par interaction avec le champ magnétique terrestre, elle se transformeraient en photons (gamme des rayons X). C'est en effet un excès de rayons X, complètement inexplicable qu'ont observé Fraser et ses collègues grâce au télescope spatial XMM-Newton. Inexplicable sauf à considérer la présence d'un flux d'axions en provenance du Soleil, qui permet de mettre une origine à ces photons X.

Les observations montrent que quand XMM-Newton passe à travers le champ magnétique terrestre, du côté exposé au Soleil, il mesure un flux de rayons X plus intense que lorsqu'il se trouve plus éloigné du champ magnétique. Or, en considérant toutes les sources possibles et imaginables connues de rayons X, ce flux atteignant XMM-Newton devrait être le même partout... Les chercheurs ont bien entendu évalué, selon eux, toutes les sources de rayons X potentielles, y compris des phénomènes un peu ésotériques comme des interactions du vent solaire avec le champ magnétique terrestre. Mais rien d'autre que l'hypothèse des axions ne permet d'expliquer correctement les observations.

Vue schématique du phénomène propose (University of Leicester)

Il y a un élément quelque peu surprenant toutefois, c'est que XMM-Newton détecte des rayons X même en étant dans une direction orthogonale à celle du Soleil, ce que les auteurs expliquent en montrant que les axions peuvent subir des diffusions avant de muter en photons. 

Mais des astrophysiciens, comme Peter Coles de l'université du Sussex, sont tout de même sceptiques face à ces observations, en estimant que l'excès de rayons X observé pourrait être dû à des effets inconnus de physique des plasmas. Il se trouve aussi que, d'après Garcia Irastorza, physicien de l'équipe du CERN Axion Solar Telescope, une autre expérience dédiée à la recherche d'axions produits par le Soleil, même si le signal est vraiment intriguant, l'explication avancée par les anglais impliquerait des propriétés physiques pour l'axion qui sont assez différentes de celles théorisées depuis plusieurs décennies.

Quoiqu'il en soit, il est encore trop tôt pour parler de découverte, ce que les astrophysiciens britanniques ne clament d'ailleurs pas. D'autres observations par d'autres types d'expériences sont nécessaires pour creuser ces observations. Et un autre télescope spatial pouvant détecter des rayons X, Chandra X-Ray Observatory, serait à même de faire le même type de mesures que XMM-Newton, avec quelques années d'analyses à prévoir...

Source : 

Potential solar axion signatures in X-ray observations with the XMM-Newton observatory

G. W. Fraser et al.

à paraître dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (octobre 2014)

preprint : http://arxiv.org/abs/1403.2436

L'Anomalie des Rayons Gamma des AGN, un Signe de l'Existence des Axions ?

Les noyaux actifs de galaxies (AGN), dont l'activité est engendrée par la présence d'un trou noir supermassif, ont la particularité de produire des jets de matière et de rayonnement. Ce rayonnement qui nous parvient se trouve sous forme de rayons gamma ultra énergétiques. Mais il existe une anomalie concernant ce rayonnement gamma dans la plupart des AGN...

La galaxie active M87 et son jet de particules
(HST/NASA/ESA)

L'intensité des flux de gamma ultra-énergétiques, tels que reconstruite en prenant en compte tout ce qui se passe entre leur émission à plusieurs milliards d'années-lumière d'ici et leur réception (indirecte) dans nos détecteurs à lumière Cherenkov, est beaucoup trop importante par rapport à ce que nos modèles théoriques des galaxies actives prédisent sur leur production.

L'élément le plus impactant produisant une atténuation des rayons gamma très énergétiques sur des très longues distances est ce qu'on appelle la lumière de fond extragalactique (ou EBL en anglais, pour extragalactic background light). Cette lumière de fond n'est autre que toute la lumière des étoiles des très nombreuses galaxies, qui se propage dans toutes les directions et qui baigne ainsi tout l'espace entre les galaxies, le milieu intergalactique. Cette lumière se retrouve à de très diverses longueurs d'ondes, allant de l'infra-rouge lointain à l'ultra-violet dur.

Et il se trouve que les photons gamma très énergétiques en provenance des jets des galaxies actives peuvent interagir avec cette lumière diffuse. Ils interagissent en produisant des annihilations avec les photons de l'EBL, surtout ceux situés dans l'infra-rouge. Plus l'énergie des photons gamma est élevée, plus ils se retrouvent absorbés par la lumière de fond extragalactique. 

Pour évaluer le flux de rayons gamma réellement produits par les AGN, on doit donc prendre en considération cet effet d'absorption par l'EBL dans le calcul. Il existe plusieurs modèles décrivant l'EBL et ses interactions avec les rayons gamma, et tous aujourd'hui tendent à montrer que les flux de rayons gamma en provenance des galaxies actives, une fois corrigés de cette interaction, sont incompatibles avec les processus physiques connus devant régir la production de rayons gamma au niveau des jets des galaxies actives. 

Il y a donc trois possibilités : soit notre compréhension de la production de photons gamma ultra-énergétique dans les AGN est partielle ou erronée, soit nos modèles décrivant la lumière de fond extragalactique sont incomplets, ou bien enfin, il existe un autre phénomène qui agit sur les photons gamma en contrebalançant l'absorption par l'EBL.

Les deux premières possibilités étant pour le moment au stade de l'impasse, des physiciens se penchent aujourd'hui sur la troisième. Il se trouve qu'il existe théoriquement une solution permettant justement de contrebalancer cet effet d'absorption par l'EBL. Cette solution s'appelle les axions. 

Principe de l'oscillation photons gamma / axion entre un AGN et la Terre

  (Sanchez-Conde et al. 2009)

Les axions sont des particules tout à fait hypothétiques aujourd'hui, qui ont été inventées dans les années 1970 pour expliquer certaines anomalies existant au niveau des composants des noyaux d'atomes (les quarks composant protons et neutrons). Et ces toutes petites particules (de très faible masse a priori) ont la capacité de se transformer en photons (et vice-versa) sous l'action d'un champ magnétique.

Si l'axion est bien réel, il se pourrait alors que les rayons gamma ultra-énergétique, au cours de leur voyage intergalactique, en rencontrant des champs magnétiques importants au voisinage des galaxies, subissent une oscillation (transformation) en axion durant un certaine durée, puis oscillent à nouveau en redevenant photon et ainsi de suite jusqu'à nous parvenir sur Terre sous forme de rayons gamma que nous détectons (ou bien d'axions, que nous ne détectons pas encore). Bien évidemment, durant leur trajet intergalactique sous forme d'axions, les photons gamma initiaux ne subissent plus l'atténuation par la lumière de fond diffuse, ce qui produit finalement un flux plus intense que prévu si on ne considérait pas cette oscillation photon-axion.

Paula Chadwick
(Durham University)

Dans un article paru le 9 octobre dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, les physiciens britanniques Jonathan Harris et Paula Chadwick, de l'université de Durham, proposent une telle solution sur la base solide du calcul des oscillations photons gamma-axions au cours du trajet intergalactique mais aussi à l’intérieur même de la source de production des photons gamma, le jet de la galaxie active, là où le champ magnétique est très intense. Ils posent comme hypothèse une masse d'axion de 10^-8 eV et une constante de couplage axion-photon de  10^-11 GeV^-1.

Ils concluent en évaluant quelle serait la probabilité de détecter une signature robuste pour un tel phénomène avec nos instruments actuels ou en projet comme le futur grand détecteur CTA (Cherenkov Telescope Array, voir la vidéo ci-dessous). D'après cette étude, une signature pourrait être observée en peu de temps avec le CTA en scrutant une galaxie active dénommée PKS 2155-304 qui s'avère la meilleure candidate.

L'existence de l'axion va évidemment bien au delà de la simple explication de l'anomalie du flux de rayons gamma des noyaux de galaxies actives. C'est aussi une piste très sérieuse pour l'explication de la masse manquante (ou matière noire), alternative à celle des particules supersymétriques (WIMPs ou neutralinos). Malgré une masse très petite, bien plus faible que celle des neutrinos et a fortiori à celle des WIMPs, leur nombre potentiel pourrait suffire à expliquer une bonne partie de la matière noire. 
Une découverte indirecte de signes du mécanisme d'oscillation entre photon gamma et axion par l'observation des AGN serait fondamentale. Le CTA, quant à lui, pourrait entrer en fonction au cours des vingt prochaines années...

Vues d'artistes du Cherenkov Telescope Array (G. Perez, SMM, IAC)

Source : 

Photon-axion mixing within the jets of active galactic nuclei and prospects for detection
J. Harris and P.M. Chadwick
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 10 (2014) 018

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...