S'ils existent, axion, parmi les candidats aux particules de matière noire, pourrait interagir avec la matière constituant l'univers, mais à un degré beaucoup plus faible que précédemment théorisé. Nouveau, des contraintes rigoureuses sur les propriétés des axions ont été proposées par une équipe internationale de scientifiques.

La dernière analyse des mesures des propriétés électriques des neutrons ultrafroids, publié dans la revue scientifique Examen physique X , a conduit à des conclusions surprenantes. Sur la base des données recueillies dans l'expérience Electric Dipole Moment of Neutron (nEDM), un groupe international de physiciens a démontré que les axions, particules hypothétiques pouvant comprendre de la matière noire froide, devraient se conformer à des limitations beaucoup plus strictes qu'on ne le croyait auparavant en ce qui concerne leur masse et leurs manières d'interagir avec la matière ordinaire. Les résultats sont les premières données de laboratoire imposant des limites aux interactions potentielles des axions avec les nucléons (c'est-à-dire les protons ou les neutrons) et les gluons (les particules liant les quarks dans les nucléons).

« Des mesures du moment dipolaire électrique des neutrons sont réalisées par notre groupe international depuis une bonne dizaine d'années. aucun d'entre nous ne soupçonnait que des traces associées à des particules potentielles de matière noire pourraient être cachées dans les données collectées. Seulement récemment, les théoriciens ont suggéré une telle possibilité et nous en avons profité avec empressement pour vérifier les hypothèses sur les propriétés des axions, " dit le Dr Adam Kozela (FIJ PAN), l'un des participants à l'expérience.

La matière noire a d'abord été proposée pour expliquer les mouvements des étoiles au sein des galaxies et des galaxies au sein des amas galactiques. Le pionnier de la recherche statistique sur les mouvements des étoiles était l'astronome polonais Marian Kowalski. En 1859, il remarqua que les mouvements des étoiles proches ne pouvaient s'expliquer uniquement par le mouvement du soleil. Ce fut la première preuve d'observation suggérant la rotation de la Voie lactée. Kowalski est ainsi l'homme qui a « secoué les fondations » de la galaxie. En 1933, l'astronome suisse Fritz Zwicky est allé encore plus loin. Il a analysé les mouvements des structures dans l'amas de galaxies de Coma en utilisant plusieurs méthodes. Il a alors remarqué qu'ils se déplaçaient comme s'il y avait une quantité de matière beaucoup plus grande dans leur environnement que celle observée par les astronomes.

Les astronomes pensent qu'il devrait y avoir près de 5,5 fois plus de matière noire dans l'univers que de matière ordinaire, comme le suggèrent les mesures du rayonnement micro-ondes de fond. Mais la nature de la matière noire est encore inconnue. Les théoriciens ont construit de nombreux modèles prédisant l'existence de particules plus ou moins exotiques, ce qui peut expliquer la matière noire. Parmi les candidats se trouvent des axions. Ces particules extrêmement légères interagiraient avec la matière ordinaire presque exclusivement par gravité. Les modèles actuels prédisent que dans certaines situations, un photon peut se transformer en axion, et après un certain temps, se retransformer en photon. Ce phénomène hypothétique est à la base des fameuses expériences d'« éclairage à travers un mur ». Il s'agit de diriger un faisceau intense de lumière laser sur un obstacle épais, et observer ces photons qui se transforment en axions qui pénètrent dans la paroi. Après avoir traversé, certains des axions pourraient redevenir des photons, avec des caractéristiques exactement comme celles dirigées à l'origine vers la barrière.

Les expériences liées à la mesure du moment dipolaire électrique des neutrons n'ont rien à voir avec les photons. Dans des expériences menées depuis plus de 10 ans, les scientifiques ont mesuré les changements dans la fréquence de résonance magnétique nucléaire (RMN) des neutrons et des atomes de mercure dans une chambre à vide en présence d'électricité, champs magnétiques et gravitationnels. Ces mesures ont permis aux chercheurs de tirer des conclusions sur la précession des neutrons et des atomes de mercure, et par conséquent sur leurs moments dipolaires.

Des travaux théoriques sont apparus ces dernières années qui envisagent la possibilité d'interactions entre les axions et les gluons et les nucléons. Selon la masse des axions, ces interactions pourraient se traduire par des perturbations plus ou moins importantes ayant le caractère d'oscillations des moments électriques dipolaires des nucléons, ou même des atomes entiers. Les prédictions signifiaient que les expériences menées dans le cadre de la coopération nEDM pourraient contenir des informations précieuses sur l'existence et les propriétés de particules potentielles de matière noire.

"Dans les données des expériences au PSI, nos collègues ayant mené l'analyse ont recherché des changements de fréquence avec des périodes de l'ordre de la minute, et dans les résultats de l'ILL—dans l'ordre des jours. Ce dernier apparaîtrait s'il y avait un vent d'axion, C'est, si les axions dans l'espace proche de la Terre se déplaçaient dans une direction spécifique. Puisque la Terre tourne, à différents moments de la journée notre équipement de mesure changerait son orientation par rapport au vent axion, et cela devrait se traduire par un cycle, changements quotidiens dans les oscillations enregistrées par nous, " explique le Dr Kozela.

Les résultats de la recherche se sont avérés négatifs. Aucune trace de l'existence d'axions avec des masses comprises entre 10 ^-24 et 10 ^-17 des électrons-volts ont été trouvés (à titre de comparaison :la masse d'un électron est supérieure à un demi-million d'électrons-volts). En outre, les scientifiques ont réussi à multiplier par 40 les contraintes imposées par la théorie sur l'interaction des axions avec les nucléons. Dans le cas d'interactions potentielles avec des gluons, les restrictions ont été multipliées par plus de 1000. Donc si les axions existent, dans les modèles théoriques actuels, ils ont moins d'endroits où se cacher.