Des physiciens du MIT et d'ailleurs ont réalisé la première série d'une nouvelle expérience pour détecter des axions, des particules hypothétiques qui devraient être parmi les particules les plus légères de l'univers. S'ils existent, les axions seraient pratiquement invisibles, pourtant incontournable; ils pourraient représenter près de 85 % de la masse de l'univers, sous forme de matière noire.

Les axions sont particulièrement inhabituels en ce qu'ils sont censés modifier les règles de l'électricité et du magnétisme à un niveau infime. Dans un article publié aujourd'hui dans Lettres d'examen physique , l'équipe dirigée par le MIT rapporte qu'au cours du premier mois d'observations, l'expérience n'a détecté aucun signe d'axions dans la plage de masse de 0,31 à 8,3 nanoélectronvolts. Cela signifie que les axions dans cette gamme de masse, ce qui équivaut à environ un quintillionième de la masse d'un proton, soit n'existent pas, soit ils ont un effet encore plus faible sur l'électricité et le magnétisme qu'on ne le pensait auparavant.

"C'est la première fois que quelqu'un regarde directement cet espace axionique, " dit Lindley Winslow, chercheur principal de l'expérience et professeur adjoint de développement de carrière Jerrold R. Zacharias de physique au MIT. « Nous sommes ravis de pouvoir maintenant dire :'Nous avons un moyen de regarder ici, et nous savons faire mieux !'"

Les co-auteurs de Winslow au MIT comprennent l'auteur principal Jonathan Ouellet, Chiara Salemi, Zacharie Bogorad, Janet Conrad, Joseph Formaggio, Joseph Minervini, Alexey Radovinsky, Jesse Thaler, et Daniel Winklehner, ainsi que des chercheurs de huit autres institutions.

Magnétars et munchkins

Alors qu'ils sont censés être partout, les axions devraient être virtuellement fantomatiques, n'ayant que de minuscules interactions avec quoi que ce soit d'autre dans l'univers.

"Comme matière noire, ils ne devraient pas affecter votre vie quotidienne, " dit Winslow. " Mais on pense qu'ils affectent les choses à un niveau cosmologique, comme l'expansion de l'univers et la formation des galaxies que nous voyons dans le ciel nocturne."

En raison de leur interaction avec l'électromagnétisme, les axions sont théorisés pour avoir un comportement surprenant autour des magnétars, un type d'étoile à neutrons qui produit un champ magnétique extrêmement puissant. Si des axions sont présents, ils peuvent exploiter le champ magnétique du magnétar pour se convertir en ondes radio, qui peuvent être détectés avec des télescopes dédiés sur Terre.

En 2016, un trio de théoriciens du MIT a élaboré une expérience de pensée pour détecter les axions, inspiré du magnétar. L'expérience a été baptisée ABRACADABRA, pour l'approche A Broadband/Resonant to Cosmic Axion Detection with an Amplifying B-field Ring Apparatus, et a été conçu par Thaler, qui est professeur agrégé de physique et chercheur au Laboratoire de sciences nucléaires et au Centre de physique théorique, avec Benjamin Safdi, puis boursier MIT Pappalardo, et ancien étudiant diplômé Yonatan Kahn.

L'équipe a proposé un design pour un petit aimant en forme de beignet conservé dans un réfrigérateur à des températures juste au-dessus du zéro absolu. Sans axions, il ne doit pas y avoir de champ magnétique au centre du beignet, ou, comme le dit Winslow, "où le munchkin devrait être." Cependant, si les axions existent, un détecteur doit "voir" un champ magnétique au milieu du beignet

Après que le groupe a publié sa conception théorique, Winslow, un expérimentateur, trouver des moyens de construire réellement l'expérience.

"Nous voulions chercher un signal d'un axion où, si on le voit, c'est vraiment l'axion, " dit Winslow. " C'est ce qui était élégant dans cette expérience. Techniquement, si vous avez vu ce champ magnétique, ce ne pouvait être que l'axion, à cause de la géométrie particulière à laquelle ils ont pensé."

Dans le sweet spot

C'est une expérience difficile car le signal attendu est inférieur à 20 atto-Tesla. Pour référence, le champ magnétique terrestre est de 30 micro-Tesla et les ondes cérébrales humaines sont de 1 pico-Tesla. En construisant l'expérience, Winslow et ses collègues ont dû faire face à deux principaux défis de conception, le premier concernait le réfrigérateur utilisé pour maintenir l'ensemble de l'expérience à des températures ultrafroides. Le réfrigérateur comprenait un système de pompes mécaniques dont l'activité pouvait générer de très légères vibrations qui, selon Winslow, pouvaient masquer un signal axionique.

Le deuxième défi concernait le bruit dans l'environnement, comme des stations de radio à proximité, l'électronique dans tout le bâtiment s'allume et s'éteint, et même des lumières LED sur les ordinateurs et l'électronique, qui pourraient tous générer des champs magnétiques concurrents.

L'équipe a résolu le premier problème en suspendant tout l'engin, en utilisant un fil aussi fin que du fil dentaire. Le deuxième problème a été résolu par une combinaison de blindage supraconducteur froid et de blindage chaud autour de l'extérieur de l'expérience.

"Nous pourrions alors enfin prendre des données, et il y avait une douce région dans laquelle nous étions au-dessus des vibrations du frigo, et en dessous du bruit environnemental provenant probablement de nos voisins, dans lequel nous pourrions faire l'expérience."

Les chercheurs ont d'abord effectué une série de tests pour confirmer que l'expérience fonctionnait et présentait des champs magnétiques avec précision. Le test le plus important était l'injection d'un champ magnétique pour simuler un faux axion, et de voir que le détecteur de l'expérience a produit le signal attendu, indiquant que si un axion réel interagissait avec l'expérience, il serait détecté. À ce stade, l'expérience était prête à démarrer.

« Si vous prenez les données et les exécutez via un programme audio, vous pouvez entendre les bruits que fait le réfrigérateur, " dit Winslow. " Nous voyons aussi d'autres bruits s'allumer et s'éteindre, de quelqu'un d'à côté qui fait quelque chose, et puis ce bruit s'en va. Et quand nous regardons ce sweet spot, ça tient ensemble, nous comprenons le fonctionnement du détecteur, et il devient assez silencieux pour entendre les axions."

Voir l'essaim

En 2018, l'équipe a réalisé le premier run d'ABRACADABRA, échantillonnage en continu entre juillet et août. Après avoir analysé les données de cette période, ils n'ont trouvé aucune preuve d'axions dans la plage de masse de 0,31 à 8,3 nanoélectronvolts qui modifient l'électricité et le magnétisme de plus d'une partie sur 10 milliards.

L'expérience est conçue pour détecter des axions de masses encore plus petites, jusqu'à environ 1 femtoélectronvolts, ainsi que des axions aussi gros que 1 microélectronvolts.

L'équipe continuera à exécuter l'expérience en cours, qui a à peu près la taille d'un ballon de basket, rechercher des axions encore plus petits et plus faibles. Pendant ce temps, Winslow est en train de déterminer comment étendre l'expérience, à la taille d'une voiture compacte - des dimensions qui pourraient permettre la détection d'axions encore plus faibles.

"Il y a une réelle possibilité d'une grande découverte dans les prochaines étapes de l'expérience, " dit Winslow. " Ce qui nous motive, c'est la possibilité de voir quelque chose qui changerait le terrain. C'est à haut risque, physique à haut rendement."