Un fantôme hante notre univers. Cela est connu en astronomie et en cosmologie depuis des décennies. Les observations suggèrent qu'environ 85 % de toute la matière de l'univers est mystérieuse et invisible. Ces deux qualités se reflètent dans son nom :matière noire.

Plusieurs expériences ont tenté de dévoiler de quoi il est fait, mais malgré des décennies de recherches, les scientifiques n'ont pas réussi. Aujourd'hui, notre nouvelle expérience, en construction à l'Université de Yale aux États-Unis, propose une nouvelle tactique.

La matière noire entoure l’univers depuis la nuit des temps, rassemblant les étoiles et les galaxies. Invisible et subtil, il ne semble pas interagir avec la lumière ou tout autre type de matière. En fait, il faut que ce soit quelque chose de complètement nouveau.

Le modèle standard de la physique des particules est incomplet, ce qui pose problème. Nous devons rechercher de nouvelles particules fondamentales. Étonnamment, les mêmes défauts du modèle standard donnent de précieuses indications sur l'endroit où ils peuvent se cacher.

Le problème avec le neutron

Prenons par exemple le neutron. Il constitue le noyau atomique avec le proton. Bien qu’elle soit globalement neutre, la théorie affirme qu’elle est composée de trois particules constitutives chargées appelées quarks. Pour cette raison, nous nous attendrions à ce que certaines parties du neutron soient chargées positivement et d'autres négativement – ​​cela signifierait qu'il aurait ce que les physiciens appellent un moment dipolaire électrique.

Pourtant, de nombreuses tentatives pour le mesurer ont abouti au même résultat :il est trop petit pour être détecté. Un autre fantôme. Et nous ne parlons pas d’insuffisances instrumentales, mais d’un paramètre qui doit être inférieur à une partie sur 10 milliards. Il est si petit que les gens se demandent s'il pourrait être complètement nul.

En physique, cependant, le zéro mathématique est toujours une déclaration forte. À la fin des années 70, les physiciens des particules Roberto Peccei et Helen Quinn (et plus tard Frank Wilczek et Steven Weinberg) ont tenté de concilier théorie et preuves.

Ils ont suggéré que le paramètre n’est peut-être pas nul. Il s’agit plutôt d’une quantité dynamique qui a lentement perdu sa charge, évoluant vers zéro, après le Big Bang. Les calculs théoriques montrent que si un tel événement s'est produit, il a dû laisser derrière lui une multitude de particules légères et sournoises.

Ceux-ci ont été surnommés « axions » en hommage à une marque de détergent, car ils pouvaient « résoudre » le problème des neutrons. Et encore plus. Si les axions ont été créés au tout début de l’univers, ils existent depuis lors. Plus important encore, leurs propriétés cochent toutes les cases attendues pour la matière noire. Pour ces raisons, les axions sont devenus l'une des particules candidates préférées pour la matière noire.

Les axions n’interagiraient que faiblement avec d’autres particules. Cependant, cela signifie qu’ils interagiraient encore un peu. Les axions invisibles pourraient même se transformer en particules ordinaires, y compris, ironiquement, en photons, l'essence même de la lumière. Cela peut se produire dans des circonstances particulières, comme en présence d'un champ magnétique. C'est une aubaine pour les physiciens expérimentaux.

Conception expérimentale

De nombreuses expériences tentent d’évoquer l’axion-fantôme dans l’environnement contrôlé d’un laboratoire. Certains visent par exemple à convertir la lumière en axions, puis à reconvertir les axions en lumière de l'autre côté d'un mur.

À l’heure actuelle, l’approche la plus sensible cible le halo de matière noire qui imprègne la galaxie (et par conséquent la Terre) à l’aide d’un appareil appelé haloscope. C'est une cavité conductrice immergée dans un fort champ magnétique; le premier capture la matière noire qui nous entoure (en supposant qu'il s'agisse d'axions), tandis que le second induit la conversion en lumière. Le résultat est un signal électromagnétique apparaissant à l'intérieur de la cavité, oscillant avec une fréquence caractéristique dépendant de la masse de l'axion.

Le système fonctionne comme une radio réceptrice. Il doit être correctement ajusté pour intercepter la fréquence qui nous intéresse. En pratique, les dimensions de la cavité sont modifiées pour s'adapter à différentes fréquences caractéristiques. Si les fréquences de l'axion et de la cavité ne correspondent pas, c'est comme si vous accordiez une radio sur le mauvais canal.

Malheureusement, la chaîne que nous recherchons ne peut pas être prédite à l'avance. Nous n’avons d’autre choix que de scanner toutes les fréquences potentielles. C'est comme choisir une station de radio dans un océan de bruit blanc (une aiguille dans une botte de foin) avec une vieille radio qui doit être plus grande ou plus petite à chaque fois que nous tournons le bouton de fréquence.

Mais ce ne sont pas les seuls défis. La cosmologie désigne les dizaines de gigahertz comme la dernière frontière prometteuse pour la recherche d'axions. Comme les fréquences plus élevées nécessitent des cavités plus petites, l'exploration de cette région nécessiterait des cavités trop petites pour capturer une quantité significative de signal.

De nouvelles expériences tentent de trouver des voies alternatives. Notre expérience Axion Longitudinal Plasma Haloscope (Alpha) utilise un nouveau concept de cavité basé sur des métamatériaux.

Les métamatériaux sont des matériaux composites dont les propriétés globales diffèrent de celles de leurs constituants :ils sont plus que la somme de leurs parties. Une cavité remplie de tiges conductrices obtient une fréquence caractéristique comme si elle était un million de fois plus petite, tout en modifiant à peine son volume. C'est exactement ce dont nous avons besoin. De plus, les tiges offrent un système de réglage intégré facile à régler.

Nous construisons actuellement la configuration, qui sera prête à prendre des données dans quelques années. La technologie est prometteuse. Son développement est le résultat de la collaboration entre physiciens du solide, ingénieurs électriciens, physiciens des particules et même mathématiciens.

Bien qu'ils soient si insaisissables, les axions alimentent un progrès qu'aucun fantôme ne pourra jamais nous enlever.