L'insaisissable particule d'axion est plusieurs fois plus légère qu'un électron, avec des propriétés qui font à peine impression sur la matière ordinaire. En tant que tel, la particule fantomatique est un concurrent de premier plan en tant que composant de la matière noire - un hypothétique, type de matière invisible dont on pense qu'il représente 85 % de la masse de l'univers.

Les axions ont jusqu'à présent échappé à la détection. Les physiciens prédisent que s'ils existent, ils doivent être produits dans des environnements extrêmes, comme les noyaux d'étoiles au précipice d'une supernova. Quand ces étoiles crachent des axions dans l'univers, les particules, en rencontrant des champs magnétiques environnants, devraient brièvement se transformer en photons et potentiellement se révéler.

Maintenant, Les physiciens du MIT ont recherché des axions à Bételgeuse, une étoile proche qui devrait bientôt s'éteindre en supernova, au moins sur des échelles de temps astrophysiques. Compte tenu de sa disparition imminente, Bételgeuse doit être une fabrique naturelle d'axions, produisant constamment les particules pendant que l'étoile brûle.

Cependant, lorsque l'équipe a recherché les signatures attendues des axions, sous forme de photons dans la bande des rayons X, leur recherche est restée vide. Leurs résultats excluent l'existence d'axions ultralégers pouvant interagir avec les photons sur une large gamme d'énergies. Les résultats définissent de nouvelles contraintes sur les propriétés de la particule qui sont trois fois plus fortes que toutes les précédentes expériences de détection d'axions en laboratoire.

"Ce que disent nos résultats, si vous voulez rechercher ces particules vraiment légères, que nous cherchions, ils ne vont pas beaucoup parler aux photons, " dit Kerstin Perez, professeur assistant de physique au MIT. "En gros, nous rendons la vie de tout le monde plus difficile parce que nous disons, 'vous allez devoir penser à autre chose qui vous donnerait un signal axion.'"

Perez et ses collègues ont publié leurs résultats aujourd'hui dans Lettres d'examen physique . Ses co-auteurs du MIT incluent l'auteur principal Mengjiao Xiao, Brandon Roach, et Melaina Nynka, avec Maurizio Giannotti de l'Université Barry, Oscar Straniero de l'Observatoire astronomique des Abruzzes, Alessandro Mirizzi de l'Institut national de physique nucléaire d'Italie, et Brian Grefenstette de Caltech.

Une chasse à l'accouplement

La plupart des expériences actuelles qui recherchent des axions sont conçues pour les rechercher en tant que produit de l'effet Primakoff, un processus qui décrit un "couplage" théorique entre les axions et les photons. On ne pense normalement pas que les axions interagissent avec les photons, d'où leur probabilité d'être de la matière noire. Cependant, l'effet Primakoff prédit que, lorsque les photons sont soumis à des champs magnétiques intenses, comme dans les noyaux stellaires, ils pourraient se transformer en axions. Le centre de nombreuses étoiles devrait donc être des usines d'axions naturels.

Quand une étoile explose dans une supernova, il devrait baratter les axions dans l'univers. Si les particules invisibles tombent dans un champ magnétique, par exemple entre l'étoile et la Terre, ils devraient se retransformer en photons, vraisemblablement avec une certaine énergie détectable. Les scientifiques recherchent des axions à travers ce processus, par exemple de notre propre soleil.

"Mais le soleil a aussi des éruptions et émet des rayons X tout le temps, et c'est difficile à comprendre, " dit Perez. Elle et ses collègues ont plutôt cherché des axions de Bételgeuse, une étoile qui normalement n'émet pas de rayons X. L'étoile fait partie des étoiles les plus proches de la Terre qui devraient bientôt exploser.

"Betelgeuse est à une température et à un stade de vie où l'on ne s'attend pas à voir des rayons X en sortir, grâce à l'astrophysique stellaire standard, " explique Perez. " Mais si les axions existent, et sortent, nous pourrions voir une signature aux rayons X. C'est pourquoi cette étoile est un bel objet :si vous voyez des rayons X, c'est un signal fumant qu'il doit s'agir d'axions."

« Les données sont des données »

Les chercheurs ont recherché les signatures aux rayons X des axions de Bételgeuse, en utilisant les données prises par NuSTAR, Télescope spatial de la NASA qui focalise les rayons X de haute énergie provenant de sources astrophysiques. L'équipe a obtenu 50 kilosecondes de données de NuSTAR pendant la période d'entraînement du télescope sur Bételgeuse.

Les chercheurs ont ensuite modélisé une gamme d'émissions de rayons X qu'ils pourraient voir depuis Bételgeuse si l'étoile crachait des axions. Ils ont considéré une gamme de masses qu'un axion pourrait être, ainsi qu'une gamme de probabilités que les axions se "coupleraient" et se reconvertiraient en un photon, en fonction de l'intensité du champ magnétique entre l'étoile et la Terre.

« De tout ce mannequinat, vous obtenez une plage de ce à quoi pourrait ressembler votre signal radiographique des axions, " dit Perez.

Lorsqu'ils ont recherché ces signaux dans les données de NuSTAR, cependant, ils n'ont rien trouvé au-dessus de leur bruit de fond prévu ou en dehors de toute source astrophysique ordinaire de rayons X.

"Betelgeuse est probablement dans les derniers stades de l'évolution et dans ce cas devrait avoir une grande probabilité de se convertir en axions, " dit Xiao. "Mais les données sont des données."

Étant donné l'éventail des conditions qu'ils ont considérées, le résultat nul de l'équipe exclut un grand espace de possibilités et fixe une limite supérieure trois fois plus forte que les limites précédentes, des recherches en laboratoire, pour ce que doit être un axion. En substance, cela signifie que si les axions sont ultralégers en masse, les résultats de l'équipe montrent que les particules doivent être au moins trois fois moins susceptibles de se coupler aux photons et d'émettre des rayons X détectables.

"Si les axions ont des masses ultralégères, nous pouvons certainement vous dire que leur couplage doit être très petit, sinon on l'aurait vu, " dit Perez.

Finalement, cela signifie que les scientifiques peuvent avoir à se tourner vers d'autres, bandes d'énergie moins détectables pour les signaux axioniques. Cependant, Perez dit que la recherche des axions de Bételgeuse n'est pas terminée.

"Ce qui serait excitant, ce serait si nous voyions une supernova, ce qui enflammerait une énorme quantité d'axions qui ne seraient pas dans les rayons X, mais en rayons gamma, " dit Perez. " Si une étoile explose et que nous ne voyons pas d'axions, alors nous aurons des contraintes vraiment strictes sur le couplage d'un axion aux photons. Alors tout le monde croise les doigts pour que Bételgeuse s'en aille."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.