Représentation d'artiste d'une étoile géante rouge émettant des axions. Des couplages axion-électrons de la taille requise pour expliquer l'excès de XENON1T feraient inévitablement tourner d'autres étoiles, comme le géant rouge sur la photo, en "phares axion" lumineux, modifiant radicalement leur luminosité et leur évolution. Crédit :Di Luzio et al.
Depuis plusieurs décennies, les physiciens et les astrophysiciens ont théorisé l'existence de la matière noire dans l'univers. Ce type de matière insaisissable serait composé de particules qui n'absorbent pas, réfléchir ou émettre de la lumière, et qui ne peuvent donc pas être détectés à l'aide d'instruments conventionnels d'observation des particules.
L'axion est l'un des candidats à la matière noire les plus prometteurs. Les axions sont des particules hypothétiques qui ont été introduites pour la première fois pour expliquer des observations inhabituelles liées aux interactions nucléaires fortes. Ensuite, les physiciens théoriciens ont suggéré que les axions constituent des parties de la masse de l'univers qui ne sont toujours pas expliquées et pourraient donc être essentiellement de la matière noire. Depuis, d'innombrables équipes dans le monde ont mené des recherches d'axions en utilisant une variété de détecteurs puissants et sophistiqués.
Il y a quelques mois, un groupe de recherche international connu sous le nom de XENON Collaboration a publié de nouvelles données collectées par XENON1T, un détecteur sensible d'interactions entre la matière noire et les particules communes. Ces données contenaient un excès surprenant d'événements qui peuvent être un indice de l'existence de particules jamais observées auparavant, comme les axions solaires.
Chercheurs de Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Université de Barcelone, L'université Barry et les Laboratori Nazionali di Frascati (INFN) ont récemment examiné les données recueillies par le détecteur XENON1T dans l'espoir de mieux comprendre si l'excès détecté pouvait, En réalité, être une manifestation des axions solaires. Les résultats de leurs analyses et de leurs réflexions, Publié dans Lettres d'examen physique , semblent exclure la possibilité que les axions solaires soient à l'origine des observations inattendues de la Collaboration XENON.
"Lorsque le résultat XENON1T a été annoncé, nous menions une étude approfondie des effets de l'émission d'axions de divers corps astrophysiques, " par email, Luca Di Luzio, Marco Fedele, Maurizio Giannotti, Federico Mescia et Enrico Nardi, les chercheurs qui ont mené l'étude, a dit à Phys.org, "Nous étions donc dans une situation optimale pour réaliser facilement que les propriétés spécifiques de l'axion requises par l'explication XENON1T étaient en fort conflit avec les observations de l'évolution stellaire."
Dans leur récent article, Di Luzio et ses collègues montrent que l'hypothèse des axions solaires comme excès de XENON1T ne tient pas, car il entre en conflit avec les observations astrophysiques précédentes. Leur espoir est qu'en écartant cette possibilité, leur travail encouragera d'autres équipes à identifier et à explorer des explications alternatives. Selon les chercheurs, l'excès est beaucoup plus susceptible d'être le résultat d'un problème non résolu avec la configuration expérimentale ou une indication d'un phénomène physique exotique différent.
Une explication du signal anormal XENON1T nécessite que les couplages des axions aux photons et aux électrons se situent à l'intérieur de la région bleue de ce tracé. Cependant, les observations astrophysiques impliquent que la région autorisée pour les deux mêmes couplages ne peut pas s'étendre beaucoup en dehors de la région rouge. La grande séparation entre les deux régions a permis aux chercheurs de conclure que les données XENON1T ne peuvent pas être expliquées par les axions solaires. Crédit :Di Luzio et al.
"Les axions solaires ne peuvent pas expliquer l'observation anormale du XENON1T simplement parce que, par rapport à d'autres types d'étoiles caractérisées par des densités de noyau et des températures beaucoup plus grandes, le soleil n'est pas très efficace pour produire des axions, " expliquent les chercheurs. " Si l'excès observé était à interpréter comme dû aux axions solaires, d'autres types d'étoiles surproduiraient alors des axions, ils brilleraient comme des phares d'axion intenses, ' perdant de l'énergie de leurs noyaux internes à un rythme si élevé que leur évolution serait radicalement altérée. Ce serait en conflit sérieux avec de nombreuses observations astronomiques passées."
Un exemple de données astronomiques qui entre en conflit avec l'hypothèse des axions solaires est l'observation des populations stellaires. Pour expliquer l'excès de XENON1T, En réalité, les axions solaires auraient besoin d'avoir des paramètres si grands qu'une population stellaire entière, les étoiles dites à Branche Horizontale (HB), serait très peu peuplé. Si tel était le cas, aucune étoile HB ne doit être trouvée dans les amas globulaires voisins, où les chercheurs en ont détecté plusieurs.
"Notre étude doit être principalement comprise comme une contribution pour maintenir les efforts de la communauté sur la bonne voie, ", ont déclaré les chercheurs. " L'enthousiasme initial pour une éventuelle " découverte d'axions " aurait pu détourner les efforts expérimentaux et théoriques dans une direction qui est, En réalité, une impasse."
En plus d'exclure la possibilité que les axions solaires expliquent l'excès de XENON1T, les travaux récents menés par Di Luzio et ses collègues soulignent l'importance d'examiner attentivement les implications astrophysiques des modèles d'axions lorsqu'on essaie d'évaluer leur viabilité phénoménologique. Dans leur papier, les chercheurs soulignent l'importance de la relation entre les axions et l'astrophysique, car la première preuve de l'existence des axions pourrait éventuellement provenir directement des observations astrophysiques.
L'équipe mène actuellement d'autres études explorant la physique des axions. Ces études portent sur un large éventail de sujets, y compris les conséquences cosmologiques et astrophysiques des axions, la construction de modèles d'axions et les aspects phénoménologiques des recherches d'axions effectuées à la fois en laboratoire et au sol.
"Chaque membre de notre collaboration a des compétences spécifiques dans différents aspects de la physique des axions, " les chercheurs ont dit. " En tant que collaboration, nous effectuons actuellement une analyse approfondie d'un grand nombre d'observables astrophysiques, dont certains présentent des divergences intrigantes entre les prédictions théoriques et les observations. Bien que, pris individuellement, le niveau de signification de chaque anomalie soit jusqu'à présent modéré, une analyse globale pourrait révéler un modèle cohérent, et pourrait pointer vers une explication en termes d'un type spécifique d'axion."
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