L'expérience de symétrie baryon antibaryon (BASE) à l'usine d'antimatière du CERN a fixé de nouvelles limites à l'existence de particules de type axion, et avec quelle facilité ceux dans une gamme de masse étroite autour de 2,97 neV pourraient se transformer en photons, les particules de lumière. le nouveau résultat de BASE, publié par Lettres d'examen physique , décrit cette méthode pionnière et ouvre de nouvelles possibilités expérimentales dans la recherche de matière noire froide.

Axion, ou des particules de type axion, sont des candidats à la matière noire froide. A partir d'observations astrophysiques, nous pensons qu'environ 27% du contenu matière-énergie de l'univers est constitué de matière noire. Ces particules inconnues ressentent la force de gravité, mais ils répondent à peine aux autres forces fondamentales, s'ils en font l'expérience. La théorie la mieux acceptée des forces fondamentales et des particules, appelé le modèle standard de la physique des particules, ne contient aucune particule ayant les propriétés requises pour être de la matière noire froide. Le résultat rapporté par BASE étudie ce fond hypothétique de matière noire présent dans tout l'univers.

Étant donné que le modèle standard laisse de nombreuses questions sans réponse, les physiciens ont proposé des théories qui vont au-delà, dont certains expliquent la nature de la matière noire. Parmi ces théories figurent celles qui suggèrent l'existence d'axions ou de particules de type axion. Ces théories doivent être testées, et de nombreuses expériences ont été mises en place dans le monde pour rechercher ces particules, y compris au CERN. Pour la première fois, BASE a transformé les outils développés pour détecter des antiprotons uniques, l'équivalent antimatière d'un proton, à la recherche de la matière noire. Ceci est d'autant plus important que BASE n'a pas été conçu pour de telles études.

"BASE dispose de systèmes de détection extrêmement sensibles pour étudier les propriétés des antiprotons piégés uniques. Ces détecteurs peuvent également être utilisés pour rechercher des signaux de particules autres que ceux produits par les antiprotons dans les pièges. Dans ce travail, nous avons utilisé l'un de nos détecteurs comme antenne pour rechercher un nouveau type de particules de type axion, " dit Jack Devlin, un chercheur du CERN travaillant sur l'expérience.

Par rapport aux grands détecteurs installés dans le Large Hadron Collider, BASE est une petite expérience. Il est connecté au décélérateur d'antiprotons du CERN, qui lui fournit des antiprotons. BASE capture et suspend ces particules dans un piège de Penning, un appareil qui combine des champs électriques et magnétiques puissants. Pour éviter les collisions avec la matière ordinaire, le piège fonctionne à 5 kelvins (environ -268 degrés Celsius), une température à laquelle des pressions excessivement basses, semblables à ceux de l'espace lointain, sont atteints. Dans cet environnement extrêmement bien isolé, des nuages ​​d'antiprotons piégés peuvent exister pendant des années. En ajustant soigneusement les champs électriques, les physiciens de BASE peuvent isoler des antiprotons individuels et les déplacer vers une partie distincte de l'expérience. Dans cette région, des détecteurs résonants supraconducteurs très sensibles peuvent capter les minuscules courants électriques générés par des antiprotons uniques lorsqu'ils se déplacent autour du piège.

Dans l'ouvrage publié par Lettres d'examen physique , l'équipe BASE a recherché des signaux électriques inattendus dans leurs détecteurs d'antiprotons sensibles. Au cœur de chaque détecteur se trouve un petit environ 4 cm de diamètre, bobine en forme d'anneau de fil supraconducteur, qui ressemble aux inductances que l'on trouve souvent dans l'électronique ordinaire. Cependant, les détecteurs BASE sont supraconducteurs et n'ont quasiment pas de résistance électrique, et tous les composants environnants sont soigneusement choisis afin qu'ils ne provoquent pas de pertes électriques. Cela rend les détecteurs BASE extrêmement sensibles aux petits champs électriques. Les détecteurs sont situés dans le champ magnétique puissant du piège de Penning; les axions du fond de matière noire interagiraient avec ce champ magnétique et se transformeraient en photons, qui peut alors être détecté.

Les physiciens ont utilisé l'antiproton comme capteur quantique pour calibrer le bruit de fond sur leur détecteur. Ils ont ensuite commencé à rechercher des signatures de fréquence étroites incompatibles avec le bruit du détecteur, aussi faible soit-il, qui pourraient faire allusion à celles induites par les particules de type axion et leurs interactions possibles avec les photons. Rien n'a été trouvé aux fréquences qui ont été enregistrées, ce qui signifie que BASE a réussi à fixer de nouvelles limites supérieures pour les interactions possibles entre les photons et les particules de type axion avec certaines masses.

Avec cette étude, BASE ouvre la possibilité à d'autres expériences de pièges de Penning de participer à la recherche de matière noire. Étant donné que BASE n'a pas été conçu pour rechercher ces signaux, plusieurs modifications pourraient être apportées pour augmenter la sensibilité et la bande passante de l'expérience et améliorer la probabilité de trouver une particule de type axion à l'avenir.

"Avec cette nouvelle technique, nous avons combiné deux branches de la physique expérimentale jusque-là sans rapport :la physique des axions et la physique des pièges de Penning de haute précision. Notre expérience de laboratoire est complémentaire aux expériences d'astrophysique et particulièrement sensible dans la gamme de faible masse axionique. Avec un instrument spécialement conçu, nous serions en mesure d'élargir le paysage des recherches d'axions en utilisant des techniques de piège de Penning, ", déclare Stefan Ulmer, porte-parole de BASE.