ADMX, avec sa sensibilité de premier plan, a exclu les axions d'une certaine gamme de masse comme matière noire.

Les axions sont un candidat hypothétique pour la matière noire qui constitue la majeure partie de la masse de notre galaxie de la Voie lactée. L'expérience Axion Dark Matter recherche des axions "invisibles" provenant de notre galaxie qui se transforment en particules de lumière détectables, appelés photons, dans le puissant champ magnétique de l'expérience.

"Quand vous cherchez une nouvelle particule comme un axion, vous explorez des interactions qui aboutissent à des particules connues, comme les photons, " dit Rakshya Khatiwada, Associé de recherche au Fermilab qui a dirigé le développement de détecteurs à faible bruit pour ADMX au cours des quatre dernières années.

Le Fermilab est le laboratoire principal du DOE pour l'ADMX, qui est hébergé par l'Université de Washington. Fermilab est financé par le ministère de l'Énergie Office of Science.

À l'intérieur d'ADMX, un aimant supraconducteur génère un champ magnétique qui transformerait des axions indétectables en photons. Dans ce champ se trouve un détecteur qui peut être réglé sur différentes fréquences correspondant aux signaux d'axions de différentes masses provenant du halo de matière noire de la Voie lactée, similaire à la façon dont une radio syntonise une station de radio.

Si vous pouviez étirer une règle d'un bout à l'autre de la Voie lactée visible, il mesurerait environ 100, 000 années-lumière de diamètre, ce qui signifie qu'il faudrait à la lumière - la chose la plus rapide de l'univers - autant d'années pour voyager d'un bout à l'autre. Pour le point de vue, il ne faut que huit minutes à la lumière pour voyager du soleil à la Terre.

Mais la taille réelle de notre galaxie pourrait être encore plus grande que cela.

Les scientifiques pensent qu'un nuage sphérique de matière noire, un halo de matière noire, renferme presque toutes les galaxies. Cette matière noire galactique serait la plus dense au centre de la galaxie, avec une densité décroissante à mesure que l'on se déplace vers l'extérieur. La Terre a environ 25 ans, 000 années-lumière du centre de la Voie Lactée, ainsi les physiciens peuvent prédire quelle devrait être la densité locale de matière noire.

L'existence de la matière noire a été proposée pour la première fois en 1933 sur la base du mouvement de l'amas de galaxies de Coma. Le scientifique Fritz Zwicky a calculé que, étant donné la façon dont les galaxies proches du bord de l'amas se déplaçaient, l'amas aurait dû avoir une masse bien supérieure à ce qui avait été observé. Pour tenir compte du manque apparent de masse suffisante, il proposa qu'une matière supplémentaire, la matière noire, soit à l'œuvre. Les preuves de la matière noire se sont depuis accumulées, mais les scientifiques n'ont pas encore détecté directement les éléments constitutifs de cette matière invisible en laboratoire.

Le défi de trouver la matière noire est qu'elle interagit très rarement avec la matière ordinaire. En comparaison, Prenez le neutrino, une particule connue qui était autrefois considérée comme candidate à la matière noire. Les neutrinos sont connus pour leurs interactions très faibles :environ 100 milliards passent par le bout de votre pouce chaque seconde. Ils naviguent à travers toi sans toi, ou ton corps, jamais remarqué. Et encore, les scientifiques ont découvert comment construire des expériences pour détecter les neutrinos. Le fait que nous n'ayons toujours pas détecté de matière noire signifie que leurs interactions sont encore plus faibles et que nous avons besoin d'expériences encore plus sensibles pour les détecter.

Si trouvé, les axions résoudraient également une autre énigme physique :le problème de forte parité de charge.

En 1977, les physiciens Helen Quinn et Roberto Peccei ont proposé un nouveau modèle pour expliquer pourquoi les interactions fortes ne violent pas la symétrie charge-parité (CP). Peu de temps après, deux autres physiciens (et plus tard lauréats du prix Nobel) Frank Wilczek et Steven Weinberg ont réalisé que le modèle de Peccei et Quinn prédisait l'existence d'une nouvelle particule, l'axion, et on s'est rendu compte plus tard que les axions pourraient être la matière noire. Le problème CP fort est complexe, mais elle a essentiellement le même problème que l'astrophysique sans matière noire :théorie et observation, relatif au Modèle Standard de la physique, ne correspond pas. Comme pour la matière noire, cette énigme signifie qu'il y a quelque chose que les scientifiques n'ont pas encore pleinement compris sur la nature.

Le potentiel de répondre à deux grandes questions de physique à la fois fait des axions des particules populaires à rechercher.

En 2017, L'ADMX a fonctionné avec la sensibilité la plus élevée de toutes les expériences sur les axions à ce jour. Ce faisant, il a exclu une gamme de masses d'axions possibles.

Maintenant, la collaboration ADMX a publié ses derniers résultats basés sur des données prises en 2018. Les nouveaux résultats excluent encore une autre plage de masse, quatre fois plus large que le premier, tout en conservant le même degré de sensibilité exceptionnelle.

"Ce résultat est aussi bon que possible pour les axions dans la plage de masse à laquelle ADMX est sensible, " a déclaré Khatiwada. " Ce qui est incroyablement précieux, parce que nous disons, avec un degré de certitude plus élevé que jamais que les axions n'existent pas là-bas."

Découvertes scientifiques, en particulier des particules qui interagissent très rarement avec la matière, compter sur ce processus de désherbage. Le boson de Higgs, par exemple, a été découvert par le LHC en 2012, près de 50 ans après sa première proposition. Sans les contraintes du Grand collisionneur électron-positon du CERN et du Tevatron du Laboratoire Fermi sur les masses possibles pour la particule insaisissable, les expériences LHC n'auraient pas su exactement où chercher. Sans contraintes de paramétrage, il est pratiquement impossible de se procurer du neuf, particules interagissant faiblement.

Avec les deux résultats, L'ADMX a exclu la possibilité d'axions existant avec une masse comprise entre 2,66 et 3,33 millionièmes d'électronvolt en énergie. En comparaison, la masse de l'électron est de 511, 000 électronvolts.

Avec plus de données et sa superbe sensibilité, ADMX sera en mesure de découvrir si les axions existent ou de les exclure sur une gamme de masses beaucoup plus large.

ADMX commencera une autre opération de prise de données cette année pour explorer la plage au-dessus de 3,33 millionièmes d'électronvolt. Et il ne fera qu'augmenter sa sensibilité aux axions avec les avancées nouvelles et à venir dans la réduction du bruit de fond.

"C'est surréaliste d'aider à construire et à exploiter une expérience unique au monde, " a déclaré Khatiwada. "C'est vraiment gratifiant de voir tout le monde, des étudiants diplômés et postdoctoraux aux scientifiques et aux professeurs, le travail acharné porter ses fruits."