L’axion, particule candidate pour la matière noire, échappe encore une fois aux observations
Une collaboration internationale, à laquelle participent le LPCC 1 , le LPSC 2 et le CSNSM 3 , a mené une expérience de laboratoire qui pour la première fois contraint le couplage entre l’axion et les gluons confinés dans des neutrons. La très haute sensibilité du spectromètre nEDM (Neutron Electric Dipole Moment) dédié à la mesure du moment électrique dipolaire du neutron, a permis de repousser les contraintes d’origine astrophysique par un facteur 1 000, réduisant le champ des possibles pour cette particule. Un résultat publié dans Physical Review le 14 novembre 2017.
Alors que la nature de la matière noire n’est pas encore établie, son existence est mise en évidence par son influence sur la rotation des galaxies. Les observations astronomiques contraignent les propriétés de la matière noire essentiellement à travers l'interaction gravitationnelle, mais cette matière noire peut également interagir avec la matière visible via les autres interactions, ouvrant la voie aux expériences en laboratoires. Ces dernières cherchent par exemple des particules interagissant faiblement avec la matière (les WIMPS) sans succès pour le moment. Les axions appartiennent à une autre classe de candidats qui ont été prédits originellement pour résoudre le problème de la violation de CP dans l'interaction forte. Jusqu’à ce jour, les recherches de l’axion sondaient la conversion des axions en photons. Le nouveau résultat, faisant suite à de nouvelles prédictions théoriques, sonde le couplage entre les axions et les gluons confinés dans les nucléons.
Les théories actuelles prédisent que les axions sont des particules très légères, présentes en très grande quantité dans les galaxies et se déplaçant lentement un peu comme un fluide. Individuellement ces particules interagissent extraordinairement faiblement avec la matière visible, mais collectivement elles forment un champ d’axions oscillant en permanence. Pour l’étudier, les chercheurs et chercheuses ont regardé l’influence de ces perturbations en cherchant des oscillations harmoniques du moment électrique dipolaire du neutron.
De telles oscillations ont été cherchées dans deux jeux de données recueillis dans l'expérience nEDM. Un premier jeu, pris à l’institut Laue Langevin entre 1998 et 2002, a permis de poser la meilleure limite en date sur la mesure moment électrique dipolaire du neutron. Malgré sa sensibilité intégrée plus faible, ce jeu de données couvre une plus grande période, ce qui le rend plus sensible aux basses fréquences (période de quelques mois à quelques années). Le second jeu de données a été pris au Paul Scherrer Institut entre 2015 et 2016 qui ont le record mondial de la plus grande sensibilité instantanée et cumulée sur la mesure du moment électrique dipolaire du neutron. De ce fait, elles sont extrêmement sensibles aux “hautes” fréquences (période de quelques minutes à quelques mois).
L’analyse de ces deux jeux de données a permis de poser de nouvelles contraintes dans l’espace des paramètres de la force du couplage entre l’axion et un nucléon en fonction de la masse de l’axion. Les contraintes d’origine astrophysique ont ainsi été repoussées par un facteur 1 000 pour des axions de masse comprise entre 10-24-10-17 eV.
Même si aucune oscillation significative n'a été détectée, cette expérience améliore nettement les limites astrophysiques existantes sur le couplage axion-gluon ; et repousse un peu plus loin certaines théories au-delà du modèle standard. Dans le futur, de nouvelles mesures permettront de sonder des oscillations plus faibles et sur des périodes plus courtes correspondant à des masses plus grandes d’axions.
Pour en savoir plus
- Découvrir l'expérience nEDM (en français)
- La publication originale (en anglais)