Axions

De mystérieuses particules.

Histoire d’une naissance.

 Axions : il ne s’agit pas de cet impératif ponctuant le démarrage d’un tournage cinématographique (action !) mais du nom dont les chercheurs ont baptisé une famille de particules hypothétiques. La presse scientifique en parle par moment.

D’où vient donc un tel engouement ? Probablement des grands espoirs qui reposent sur les épaules de ces fantômes. Ils semblent à même de résoudre deux énigmes d’un coup : combler une lacune du modèle cosmologique standard et livrer enfin la nature de la matière sombre.

L’idée intuitive selon laquelle il existerait des corps massifs ne rayonnant pas remonterait pour certains à Lord Kelvin (alias William Thomson ; 1884) qui parlait alors de corps sombres. Il n’est cependant pas certain que ses mots aient décrit le même phénomène que celui dont parle aujourd’hui l’actualité. Le rayonnement des corps noirs était à son époque un sujet majeur de préoccupation et le motif à de nombreuses investigations. L’un des plus célèbres essais reste la loi de Wien+(lien externe Wikipedia-FR). Toutes ces explorations trouveront un aboutissement avec les travaux de M. Planck.

Certains pensent d’ailleurs que le qualificatif « sombre » est totalement inapproprié et qu’il devrait être remplacé par l’adjectif « invisible ». Un argument en faveur de cette modification linguistique tient au fait que la matière dont se préoccupe les équipes n’a aucune interaction dans le registre électromagnétique.

La détection de cette mystérieuse substance remonte aux travaux de Véra Rubin+ (1928 – 2016) et Kent Ford mesurant la vitesse de rotation de groupes d’étoiles autour de leur centre galactique. Les données obtenues démontrent l’existence d’une entité inconnue ayant une influence gravitationnelle sur les étoiles et se situant majoritairement dans la partie externe de la zone visible des galaxies observées.

Aujourd’hui, les relevés astronomiques prouvent l’existence de la matière invisible dans le fond cosmique diffus et invitent à penser qu’elle trouve son origine à une époque précédant la formation des galaxies.

Simultanément, une série d’expérimentations aux espoirs déçus (LHC, LUX, XENON1T) ont fini de convaincre la communauté du fait qu’il n’existe pas de particule connue au sein du modèle standard actuel ayant les propriétés physiques ad hoc permettant une identification avec cette mystérieuse substance.

Ainsi, que ce soit au niveau des recherches en cosmologie ou de celle dans le domaine des particules élémentaires, nous vivons une époque fantastique dans laquelle les données expérimentales appellent de nouveaux modèles théoriques ou, au minimum, des modifications pertinentes de ceux-ci.

La comptabilité énergétique (toute la machinerie lagrangienne et les lois de préservation des énergies) plaide pour l’existence d’une substance énergétique nouvelle expliquant certaines ruptures de symétries ; un peu à l’instar de ce qui s’était passé dans les années 70 lorsque la rupture CP dans la désintégration des kaons avait conduit à la prédiction de nouveaux quarks (découverts en 1995).

La naissance formelle et théorique des axions+ résulte d’un processus similaire. Pour expliquer l’absence de moment électrique dipolaire du neutron (non observable autrefois) et la violation CP+, Peccei et Quinn ont mis au point en 1977 un protocole théorique ; celui-ci induit automatiquement l’existence de nouvelles particules : les axions (prédits par F. Wilczek+ – début des années 80). Ce sont des bosons scalaires (pas de moment angulaire mécanique).

Si donc de nouvelles expérimentations parvenaient à mettre en évidence des moments électriques dipolaires au sein du neutron se neutralisant en permanence, la particule prédite perdrait sa justification.

Entre-temps, puisque ces mystérieuses particules seraient des bosons, certaines équipes ont envisagé l’idée selon laquelle elles seraient les représentants de la matière sombre invisible et étudier leur aptitude à condenser. Des recherches récentes (2014 - MIT) dans le domaine des condensats de Bose-Einstein montrent malencontreusement que de tels condensats dépasseraient difficilement la taille d’un astéroïde ; ce qui élimine l’idée -au départ séduisante- selon laquelle nous vivrions dans un condensat de Bose à taille cosmique.

L’état actuel de la recherche en la matière.

A grands renforts de simulations informatiques, les recherches actuelles étendent les caractéristiques théoriques des particules découlant des travaux de Peccei, Quinn et Wilczek (axions au sein de la chromodynamique quantique).

Misant sur le principe que plus leur énergie est faible, plus la taille des condensats induits a de chance d’atteindre celle d’un halo de galaxies, elles espèrent découvrir le secteur énergétique qui collera avec les observations.

Un peu en désespoir de cause, elles testent également l’hypothèse plus rassurante selon laquelle les axions auraient tout de même quelques interactions avec la lumière.

Il semblerait cependant que notre ignorance et nos insuccès répétés entrainent les recherches sur le sujet dans un chaos informel.

Toutes les écoles (théorie de supersymétrie, théorie des cordes, etc.) se découvrent une liste de candidats qui potentiellement feraient -semble-t-il- l’affaire… mais aucune ne parvient à en mettre un en évidence … .

© Thierry PERIAT.

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Date de dernière mise à jour : 24/08/2021