Des scientifiques de l'Université du Sussex ont réfuté l'existence d'un type spécifique d'axion – une particule de « matière noire » candidate importante – dans une large gamme de ses masses possibles.

Les données ont été collectées par un consortium international, la Collaboration Neutron Electric Dipole Moment (nEDM), dont l'expérience est basée à l'Institut Paul Scherrer en Suisse. Les données y ont été recueillies et, plus tôt, à l'Institut Laue-Langevin de Grenoble.

Professeur Philip Harris, Directeur des sciences mathématiques et physiques à l'Université du Sussex, et chef du groupe nEDM là-bas, mentionné:

"Les experts s'accordent largement sur le fait qu'une grande partie de la masse de l'univers est constituée de 'matière noire'. Sa nature, cependant, reste complètement obscur. Un type de particule élémentaire hypothétique qui pourrait constituer la matière noire est ce qu'on appelle l'axion. Si des axions avec les bonnes propriétés existent, il serait possible de détecter leur présence grâce à cette analyse entièrement nouvelle de nos données.

"Nous avons analysé les mesures que nous avons effectuées en France et en Suisse et elles fournissent la preuve que les axions - du moins ceux qui auraient été observables dans l'expérience - n'existent pas. Ces résultats sont mille fois plus sensibles que les précédents et ils sont basées sur des mesures de laboratoire plutôt que sur des observations astronomiques, ce qui n'exclut pas fondamentalement l'existence d'axions, mais la portée des caractéristiques que ces particules pourraient avoir est maintenant nettement limitée.

"Les résultats renvoient essentiellement les physiciens à la planche à dessin dans notre chasse à la matière noire."

On a cru pendant des décennies que les particules d'axions pourraient constituer au moins une partie de la «matière noire» – ce que nous savons être dans notre univers mais qui ne peut pas être vu. Les axions sont importants car les trouver, s'ils existent, pourrait détenir la clé de la raison pour laquelle l'univers a beaucoup de matière mais relativement peu d'antimatière. Des quantités égales de matière et d'antimatière auraient été créées lorsque l'univers a commencé, et tout aurait dû s'anéantir mutuellement, mais l'Univers a clairement maintenant beaucoup de matière - mais essentiellement pas d'antimatière - en reste; on ne comprend pas pourquoi.

Il s'agit de la première expérience à utiliser un équipement de laboratoire - plutôt que des observations astronomiques - pour étudier ce type d'axion. Précédemment, les physiciens avaient progressivement réduit l'éventail des masses possibles de l'axion grâce à des expériences au télescope. La recherche publiée aujourd'hui efface toute une bande de masses potentielles. Par conséquent, les théoriciens des particules qui tentent d'expliquer les origines de l'Univers et la nature de la matière noire devront retourner à la planche à dessin pendant qu'ils révisent, contraindre et ajuster leurs modèles. Une référence importante a été établie pour les futures recherches expérimentales; et d'autres expériences, travailler sur des sujets connexes, pourront analyser leurs données de cette nouvelle manière pour étendre davantage la sensibilité.

Les données ont été collectées dans un autre but – voir pourquoi l'univers est dominé par la matière et non par l'antimatière – lorsqu'on s'est rendu compte que les mesures pouvaient également être utilisées pour rechercher la présence d'axions. L'expérience a fonctionné en piégeant les neutrons, puis appliquer une haute tension à leur conteneur pour voir si cela a affecté la vitesse à laquelle ils tournent. Un changement de ce taux indiquerait qu'ils ont une structure déformée - et des changements dans cette distorsion au fil du temps (de quelques minutes à des années) indiqueraient qu'il y avait des axions présents. Aucune distorsion de ce type n'a été observée, et donc aucun axion n'a été détecté. L'expérience nEDM elle-même est un "classique" en physique des particules, ayant couru sous une forme ou une autre avec une sensibilité toujours croissante depuis 1950, et écartant de nombreuses théories en cours de route. C'est l'une des mesures les plus sensibles qu'il soit possible de faire, et les mesures dirigées par Sussex ont fourni la meilleure sensibilité au monde en continu depuis 1999.

Nicolas Ayres, un étudiant diplômé de la School of Mathematical and Physical Sciences de l'Université du Sussex et co-responsable de cette analyse particulière, mentionné:

« Ces résultats ouvrent un nouveau front dans la chasse à la matière noire. Ils réfutent l'existence d'axions avec une large gamme de masses et aident donc à limiter la variété de particules qui pourraient être candidates à la matière noire. Et c'est fantastique de voir que ces les résultats – qui étaient collectés dans un tout autre but – pourraient également être utilisés comme un ferroutage pour rechercher des axions. »

Le professeur Philip Harris explique comment les données pourraient être utilisées pour rechercher des axions ainsi que pour leur objectif initial :

"Dans notre expérience initiale, nous avons pris une seule mesure et l'avons répétée plusieurs fois pour déterminer la valeur moyenne sur une longue période. Lorsque nous recherchons des axions, on regarde si la mesure fluctue dans le temps avec une fréquence constante. Si c'est le cas, ce serait la preuve qu'il y a eu une interaction entre le neutron et l'axion. On n'a jamais vu ça. "

L'expérience n'exclut pas entièrement l'existence d'axions. Premièrement, les axions auraient dû interagir suffisamment fortement avec les neutrons pour que tout changement de sa vitesse de rotation soit détecté. Deuxièmement, leur masse peut être plus grande ou plus petite que prévu. Cela fait, cependant, apporter de nouvelles contraintes importantes, et il ouvre la voie à de futures voies d'investigation pour aider à résoudre l'un des grands mystères exceptionnels de la cosmologie. Ces expériences apportent une contribution importante à la recherche de la matière noire.

Le papier, "Recherche de la matière noire de type Axion par précession de spin nucléaire dans les champs électriques et magnétiques, " est publié dans Examen physique X .