Une équipe de recherche sud-coréenne du Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) au sein de l’Institut des sciences fondamentales (IBS) a récemment annoncé la configuration expérimentale la plus avancée pour rechercher des axions. Le groupe a franchi avec succès son premier pas vers la recherche de la matière noire de l’axion Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky (DFSZ) issue de la théorie de la grande unification (GUT). De plus, la configuration expérimentale IBS-CAPP permet une vitesse de recherche bien supérieure à celle de toute autre expérience de recherche d’axions dans le monde.
La notion de physique « morte » a été une opinion récurrente à travers l’histoire. À la fin du 19e siècle, William Thompson, également connu sous le nom de Lord Kelvin, croyait à tort qu’il n’y aurait pas de nouvelle découverte en physique après 1900. De même, certains ont pensé qu’il n’y avait pas de nouvelles particules à trouver après la découverte des neutrons dans les années 1930. . Aujourd’hui encore, certains s’inquiètent que la physique théorique moderne soit dans une impasse.
Cependant, c’est loin de la vérité. Notre limite actuelle de connaissances en physique, le modèle standard, n’est capable d’expliquer qu’environ 5% de l’univers, les 95% restants étant constitués de matière noire et d’énergie noire.
Le modèle standard actuel a également des limites pour expliquer des problèmes tels que le problème de forte CP (charge conjugation-parity). Le problème provient de l’observation que la force forte, qui est décrite par la chromodynamique quantique (QCD), ne semble pas violer la symétrie CP, tandis que la force électrofaible viole la symétrie CP dans une faible mesure. Cela contredit le modèle standard, qui prédit que la symétrie CP devrait être violée par la force forte à un niveau beaucoup plus grand que ce qui a été observé.
Une solution proposée au problème implique l’existence de particules hypothétiques appelées axions, qui pourraient résoudre l’écart entre les niveaux prédits et observés de violation de CP dans la force forte. L’axion est l’un des candidats les plus puissants pour la matière noire. La découverte de la matière noire axion serait sans aucun doute un événement marquant dans l’histoire humaine.
Actuellement, deux propositions différentes pour « au-delà du modèle standard » existent pour expliquer le problème de CP fort. La principale différence entre les deux modèles est qu’ils prédisent différents types de couplages entre les axions et les autres particules. Dans le modèle Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov (KSVZ), les axions sont principalement couplés aux quarks lourds, tandis que dans le modèle Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky (DFSZ), ils sont couplés aux quarks et leptons du modèle standard via les bosons de Higgs .
En tant que matière noire, les axions ont une interaction très faible (ou peu) avec la matière ordinaire, leur recherche peut donc être une tâche délicate. Une approche couramment utilisée implique des expériences de cavité micro-ondes. Ces expériences utilisent un champ magnétique puissant pour convertir les axions (s’ils existent) en ondes électromagnétiques résonnantes, qui sont ensuite détectées à l’aide d’un récepteur. La masse de l’axion peut alors être calculée à partir de la fréquence de l’onde détectée.
Comme la masse de l’axion est inconnue, les physiciens doivent élargir leur recherche et balayer une vaste gamme de fréquences.
Le problème est exacerbé dans le cas de la recherche d’un axion DFSZ, qui nécessite une sensibilité beaucoup plus grande que l’axion KSVZ. Dans les expériences de recherche de cavité micro-ondes, l’obtention d’une sensibilité plus élevée nécessite un temps de recherche exponentiellement plus élevé, et donc la recherche d’un axion DFSZ est hors de portée pour presque toutes les configurations expérimentales existantes.
En conséquence, alors que quelques expériences de recherche d’axions ont recherché avec succès des signaux dans les plages de sensibilité d’axions KSVZ, jusqu’à présent, la seule expérience capable d’atteindre la sensibilité nécessaire pour rechercher des axions DFSZ était l’ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) menée par la collaboration ADMX. Cela fait d’IBS-CAPP le deuxième groupe au monde à rechercher avec succès l’axion avec la sensibilité DFSZ.
Le groupe IBS-CAPP a utilisé un aimant 12T, qui est plus puissant que l’aimant 8T utilisé par l’ADMX. Afin de minimiser le bruit de fond, la configuration de l’expérience a été maintenue à une température proche du zéro absolu.
En plus d’utiliser un aimant plus puissant, l’expérience IBS-CAPP a utilisé des technologies quantiques et une approche informatique plus efficace pour conserver les données. Cela a permis à l’IBS-CAPP de rechercher les axions DFSZ à 3,5 fois le taux de la configuration ADMX.
La dernière publication de l’IBS-CAPP détaille la démonstration de leur nouvelle configuration pour la recherche d’axions DFSZ du 1er mars au 18 mars 2022. En conséquence, le groupe a pu exclure la matière noire des axions autour de 4,55 µeV à la sensibilité DFSZ. Les résultats sont publiés dans la revue Lettres d’examen physique.
« La découverte de l’axion nous permettra de comprendre jusqu’à 32 % de la masse-énergie de l’univers, contre 5 % offerts par le modèle standard actuel », déclare le chercheur KO Byeong Rok de l’IBS-CAPP. Il a ajouté : « Nous prévoyons de tirer parti de la vitesse fulgurante de notre configuration expérimentale pour rechercher rapidement des axions DFSZ dans les larges gammes de fréquences de 1 à 2 GHz. »
On espère que la découverte de l’axion soutiendra la théorie de la grande unification (GUT), qui unit les trois forces fondamentales – forte, faible et électromagnétisme. On pense que les trois forces fondamentales étaient unies et indiscernables au tout début après le Big Bang, dans des conditions d’ordres de grandeur plus élevés que ceux réalisables dans le Large Hadron Collider aujourd’hui. On espère que le GUT servira de tremplin vers la très convoitée théorie du tout (TOE) qui a échappé aux physiciens théoriciens toutes ces années.
Le directeur Yannis SEMERTZIDIS d’IBS-CAPP a déclaré : « Nous sommes très reconnaissants pour tout le financement et le soutien que l’Institut des sciences fondamentales et les contribuables sud-coréens ont apportés à ce projet. C’est grâce à eux que la Corée du Sud héberge désormais le système de recherche d’axions le plus avancé. installation expérimentale dans le monde. Si l’axion existe, je n’ai aucun doute qu’il se trouvera ici même en Corée du Sud.
Plus d’information:
Andrew K. Yi et al, Axion Dark Matter Search autour de 4,55 μeV avec sensibilité Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitskii, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.071002