Une particule hypothétique qui pourrait résoudre l'une des plus grandes énigmes de la cosmologie est devenue un peu moins mystérieuse. Un physicien de RIKEN et deux collègues ont révélé les fondements mathématiques qui pourraient expliquer comment les soi-disant axions pourraient générer des entités ressemblant à des cordes qui créent une tension étrange dans les matériaux de laboratoire.

Les axions ont été proposés pour la première fois dans les années 1970 par des physiciens étudiant la théorie de la chromodynamique quantique, qui décrit comment certaines particules élémentaires sont maintenues ensemble au sein du noyau atomique. Le problème était que cette théorie prédisait des propriétés bizarres pour des particules connues qui ne sont pas observées. Pour résoudre ce problème, les physiciens ont postulé une nouvelle particule - plus tard surnommée l'axion, après une marque de détergent à lessive, parce que cela a aidé à nettoyer un gâchis dans la théorie.

Les physiciens se sont vite rendu compte que les axions pouvaient également résoudre une énigme cosmique. On pense que plus de 80% de la matière de l'Univers est constituée d'une mystérieuse substance invisible, appelée matière noire. "Les axions sont candidats à la matière noire, mais nous ne les avons pas encore trouvés, " dit Yoshimasa Hidaka, du programme interdisciplinaire de sciences théoriques et mathématiques RIKEN. Les axions pourraient avoir les bonnes propriétés, les physiciens ont donc recherché des signes de leur existence dans de nombreuses expériences. En juin 2020, l'expérience XENON1T au laboratoire du Gran Sasso en Italie a signalé des indices selon lesquels ils pourraient avoir détecté l'axion, mais ce résultat n'a pas encore été confirmé.

Mais il existe un autre domaine où les propriétés des axions peuvent être étudiées. Les physiciens peuvent préparer des matériaux exotiques, appelés isolants topologiques, en laboratoire, qui présentent des propriétés étranges, comme conduire l'électricité sur leurs surfaces tout en restant des isolants électriques à l'intérieur. De tels matériaux présentent d'autres comportements étranges. Parfois, leurs électrons se regroupent et se déplacent de telle sorte que le matériau semble être constitué de « quasi-particules » aux propriétés inhabituelles. Cela peut créer une tension inattendue à travers le matériau, appelé effet Hall anormal.

L'axion est également prédit de se produire de cette manière, dans les isolants topologiques, où il devrait interagir avec des particules de lumière, ou photons, d'une manière différente des particules régulières.

Hidaka et ses deux collègues ont maintenant examiné la théorie régissant l'interaction entre les axions et les photons. Même si les axions sont des particules ponctuelles, l'équipe a calculé que dans les matériaux, la lumière interagit en fait avec des configurations filiformes étendues constituées d'axions, appelées cordes axioniques. Cela conduirait à l'effet Hall anormal, ce qui est observé dans les expériences.

"Nous avons trouvé la structure mathématique sous-jacente du phénomène, " dit Hidaka.