écouter-la-matière-noire-axion
La matière noire est une substance mystérieuse qui constitue 85% de la matière de l’Univers. Initialement introduite pour expliquer pourquoi la force forte (qui retient les protons et les neutrons) est la même dans le temps, la soi-disant axion fournirait une explication naturelle à la matière noire. Plutôt que des particules discrètes, la matière noire d’axion formerait une onde envahissante qui se répandrait dans l’espace.

Un appareil pour « écouter » la matière noire

L’axion est l’une des meilleures explications de la matière noire, mais elle n’a fait l’objet que récemment d’expérimentations à grande échelle. En raison de cette renaissance, il y a eu une ruée pour trouver de nouvelles idées sur la façon de chercher l’axion dans tous les domaines où elle pourrait se cacher.
« Trouver l’axion, c’est un peu comme syntoniser une radio : vous devez syntoniser votre antenne jusqu’à ce que vous obteniez la bonne fréquence. Plutôt que la musique, les expérimentateurs seraient récompensés en « écoutant » la matière noire que traverserait la Terre. Bien que des chercheurs soient aient été motivés, les axions ont été négligés expérimentalement au cours des trois décennies qui ont suivi leur nomination par le coauteur Frank Wilczek « , explique Alexander Millar, postdoctor au Département de physique de l’Université de Stockholm et auteur de cette étude.
L’idée clé de cette nouvelle étude de recherche est qu’à l’intérieur d’un champ magnétique, les axions généreraient un petit champ électrique qui pourrait être utilisé pour entraîner des oscillations dans un plasma. Un plasma est un matériau dans lequel les particules chargées, comme les électrons, peuvent circuler librement sous forme de fluide.
Ces oscillations amplifient le signal, ce qui conduit à une meilleure « radio d’axion ». Contrairement aux expériences traditionnelles basées sur des cavités résonnantes, il n’y a pratiquement aucune limite à la taille de ces plasmas, ce qui donne un signal encore plus important. La différence est un peu comme la différence entre un talkie-walkie et une tour de diffusion radio.

Un métamatériau filaire qui se transformerait en une radio à axion très sensible

« Sans le plasma froid, les axions ne peuvent pas se convertir efficacement en lumière. Le plasma joue un double rôle, à la fois en créant un environnement qui permet une conversion efficace et en fournissant un plasmon résonnant pour capter l’énergie de la matière noire convertie « , explique Matthew Lawson, postdoctor au département de physique de l’Université de Stockholm, également auteur de cette étude.
« Il s’agit d’une toute nouvelle façon de rechercher la matière noire, et cela nous aidera à trouver l’un des meilleurs candidats pour la matière noire dans des domaines qui sont tout simplement inexplorés. La construction d’un plasma accordable nous permettrait de faire des expériences beaucoup plus importantes que les techniques traditionnelles, en donnant des signaux beaucoup plus forts à haute fréquence « , explique Alexander Millar.
Pour régler cette « radio d’axion », les auteurs proposent d’utiliser ce que l’on appelle un « métamatériau de fils », un système de fils plus fins que les cheveux qui peuvent être déplacés pour modifier la fréquence du plasma. À l’intérieur d’un grand aimant, semblable à ceux utilisés dans les appareils d’imagerie par résonance magnétique dans les hôpitaux, ce métamatériau filaire se transformerait en une radio à axion très sensible.
La recherche de la matière noire à l’aide de plasmas ne restera pas seulement une idée intéressante. En étroite collaboration avec les chercheurs, un groupe expérimental de Berkeley a fait de la recherche et du développement sur ce concept dans le but de construire une telle expérience dans un proche avenir.

Des haloscopes à plasma

« Les haloscopes à plasma sont l’une des rares idées qui permettraient de rechercher des axions dans cet espace de paramètres. Le fait que la communauté expérimentale se soit si rapidement ralliée à cette idée est très excitant et prometteur pour la construction d’une expérience à grande échelle « , dit le Dr Alexander Millar.
Cette recherche a été publiée dans Physical Review Letters.
Source : Stockholm University
Crédit photo : Pixabay