Chercheurs du Centre de recherche en axion et en physique de précision (CAPP), au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS, Corée du Sud), ont rapporté les premiers résultats de leur recherche d'axions, insaisissable, particules ultralégères qui sont considérées comme des candidats à la matière noire. IBS-CAPP est situé au Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Publié dans Lettres d'examen physique , l'analyse combine des données recueillies sur trois mois avec un nouvel appareil de recherche d'axions développé au cours des deux dernières années.

Prouver l'existence des axions pourrait résoudre deux des plus grands mystères de la physique moderne à la fois :pourquoi les galaxies en orbite au sein des amas de galaxies se déplacent beaucoup plus vite que prévu, et pourquoi deux forces fondamentales de la nature suivent des règles de symétrie différentes. La première énigme a été soulevée dans les années 1930, et a été confirmé dans les années 1970 lorsque les astronomes ont remarqué que la masse observée de la galaxie de la Voie lactée ne pouvait pas expliquer la forte attraction gravitationnelle subie par les étoiles dans les galaxies. La deuxième énigme, connu sous le nom de problème CP fort, a été surnommé par le magazine Forbes comme "le puzzle le plus sous-estimé de toute la physique" en 2019.

La symétrie est un élément important de la physique des particules et CP fait référence à la symétrie Charge + Parité, où les lois de la physique sont les mêmes si les particules sont échangées avec leurs antiparticules correspondantes (C) dans leurs images miroir (P). Dans le cas de la force forte, qui est responsable du maintien des noyaux ensemble, La violation de CP est théoriquement autorisée, mais n'a jamais été détecté, même dans les expériences les plus sensibles. D'autre part, La symétrie CP est violée à la fois théoriquement et expérimentalement dans la force faible, qui sous-tend certains types de désintégrations radioactives. En 1977, les physiciens théoriciens Roberto Peccei et Helen Quinn ont proposé la symétrie Peccei-Quinn comme solution théorique à ce problème, et deux lauréats du prix Nobel de physique, Frank Wilczek et Steven Weinberg, ont montré que la symétrie Peccei-Quinn aboutit à une nouvelle particule :l'axion. La particule a été nommée d'après un détergent américain, parce qu'il devrait nettoyer le désordre des interactions fortes.

Actuellement, on estime que 85 % de la matière de l'univers est constituée de matière noire, qui est imperceptible. La matière noire fournit suffisamment de masse pour empêcher le soleil de quitter la Voie lactée, mais il n'est pas visible dans des conditions ordinaires. En d'autres termes, les axions devraient être présents en grande quantité dans l'Univers, mais à peine interagir avec les particules qui nous sont familières.

D'après les prédictions et la règle d'or de Fermi, un axion se transforme spontanément en deux particules détectables (photons) à une vitesse extrêmement faible, et cette conversion peut être plus rapide dans un environnement où l'un des photons est déjà présent. Dans les expériences, ce rôle est joué par un champ magnétique puissant, qui fournit des photons de tous les niveaux d'énergie (virtuellement), accélérer considérablement le processus.

Pour faciliter la conversion axion-photon, Les chercheurs d'IBS ont utilisé leur haloscope CAPP-8TB sur mesure. Cet instrument a un aimant supraconducteur en forme de cylindre avec un alésage clair de 165 mm et un champ magnétique central de 8 Tesla. Le signal des photons engendrés par les axions est amplifié dans une cavité résonante. Si la bonne fréquence est choisie, les photons résonnaient dans la cavité et marquaient leur présence d'un petit flash. L'équipe aurait besoin de détecter environ 100 photons micro-ondes par seconde pour faire une déclaration confiante.

"Cette expérience n'est pas un sprint de 100 mètres, mais le premier but d'un marathon. Nous avons appris en faisant, et nous avons testé de nouveaux concepts à utiliser dans des systèmes de niveau supérieur à l'avenir, " explique Yannis K. Semertzidis, le directeur du Centre et également professeur de KAIST.

Dans cette course expérimentale, l'équipe a recherché des axions de masse comprise entre 6,62 et 6,82 μeV, correspondant à la fréquence comprise entre 1,6 et 1,65 GHz, une gamme qui a été sélectionnée par la chromodynamique quantique. Les chercheurs ont montré expérimentalement avec un niveau de confiance de 90%, le résultat le plus sensible dans la gamme de masse à ce jour, qu'il n'y a pas de matière noire d'axion ou de particule de type axion dans cette plage. De cette façon, CAPP-8TB prend sa place parmi d'autres expériences de chasse aux axions qui examinent différentes masses possibles. De plus, c'est la seule expérience à cette gamme de masse qui atteint près de la sensibilité requise selon les deux modèles théoriques les plus célèbres sur les axions :le modèle KSVZ et le modèle DFSZ. Les lettres sont des abréviations qui font référence aux scientifiques qui les ont proposées.

"Nous avons prouvé que nous pouvons atteindre une sensibilité bien meilleure que toutes les autres expériences dans cette gamme de fréquences et que nous sommes prêts à intensifier nos recherches avec des systèmes plus grands. Nous visons à être au sommet de notre domaine pour les 10 prochaines années. C'est pourquoi C'est tellement excitant, " déclare Soohyung Lee, chercheur en ingénierie de recherche, le premier auteur de l'étude.

La plage de masse est déterminée par le diamètre de la cavité. Un diamètre plus grand peut rechercher une région de masse plus faible et vice versa. Étant donné que la cavité résonante du CAPP-8TB est placée à l'intérieur de l'alésage transparent de l'aimant supraconducteur, Les chercheurs d'IBS ont conçu une cavité cylindrique en cuivre accordable comme résonateur avec le volume disponible maximum.

Au-delà de la cavité, l'haloscope CAPP-8TB dispose d'un certain nombre de technologies de pointe, y compris un réfrigérateur à dilution cryogénique atteignant –273 degrés Celsius (à peu près 50 mK au-dessus du zéro absolu), un aimant supraconducteur à fort champ magnétique, électronique à micro-ondes à faible bruit et amplificateurs de pointe.

Le plan est de rechercher des axions accordant l'haloscope à une fréquence de 1 à 10 GHz, et plus tard de 10 à 25 GHz en utilisant un aimant plus puissant à grand volume, mettre en œuvre toutes leurs inventions. La recherche d'axions se poursuit sans arrêt.