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En 1977, les physiciens Roberto Peccei et Helen Quinn trouvent une solution au problème de la violation de symétrie CP dans le cadre de la chromodynamique quantique. Cette solution passe par l’existence d’une particule hypothétique supposée stable, neutre et de masse extrêmement faible. Aujourd’hui, cette particule, prédite par de nombreux modèles de la théorie des supercordes, est une candidate à la matière noire. Récemment, des chercheurs ont analysé les données de l’observatoire Chandra à la recherche des hypothétiques axions ; les résultats leur ont permis d’affiner les contraintes de masse et d’énergie sur ces particules.

En regardant à travers les amas de galaxies, les plus grandes structures de l’Univers maintenues par la gravité, les chercheurs ont pu rechercher une particule spécifique que de nombreux modèles de la théorie des supercordes prédisent. Bien que la non-détection qui en résulte n’exclue pas la théorie des supercordes, elle permet néanmoins de poser des contraintes supplémentaires sur l’existence de ces particules. L’étude a été publiée dans la revue The Astrophysical Journal.

« Jusqu’à récemment, je ne savais pas à quel point les astronomes des rayons X pouvaient contribuer à la théorie des cordes, mais nous pourrions jouer un rôle majeur. Si ces particules sont finalement détectées, cela changera à jamais la physique », déclare Christopher Reynolds de l’Université de Cambridge au Royaume-Uni.

La conversion axion-photon en présence de champs magnétiques

La particule que Reynolds et ses collègues cherchaient s’appelle un « axion ». Ces particules non encore détectées devraient avoir des masses extraordinairement basses. Les physiciens ne connaissent pas la gamme de masse précise, mais de nombreuses théories présentent des masses axionales allant d’environ un millionième de la masse d’un électron à une masse nulle. Certains physiciens pensent que les axions pourraient expliquer le mystère de la matière noire.

Une propriété inhabituelle de ces particules de masse ultra faible serait qu’elles pourraient parfois se convertir en photons lors de leur passage à travers des champs magnétiques. L’inverse peut également être vrai : les photons peuvent également être convertis en axions dans certaines conditions. La fréquence à laquelle ce changement se produit dépend de la facilité avec laquelle ils effectuent cette conversion, en d’autres termes, de leur « convertibilité ».

Chercher les particules axioniques dans les rayons X

Des physiciens ont proposé l’existence d’une classe plus large de particules de masse ultra faible avec des propriétés similaires aux axions. Les axions auraient une valeur de convertibilité unique à chaque masse, mais les particules de type axion auraient une plage de convertibilité à la même masse.

spectre axions

Image en bande complète de la région observée par Chandra dans les rayons X. La barre inférieure indique la quantité de photons mesurée, et le spectre de dispersion de la région observée est indiqué en blanc. Crédits : C. Reynolds et al. 2020

« Bien que le fait de rechercher de minuscules particules comme des axions dans des structures gigantesques comme des amas de galaxies puisse sembler étrange, ce sont en fait de bons endroits pour en trouver. Les amas de galaxies contiennent des champs magnétiques sur des distances impressionnantes, et ils contiennent également souvent des sources lumineuses de rayons X. Ensemble, ces propriétés augmentent les chances que la conversion de particules de type axion soit détectable », explique David Marsh de l’Université de Stockholm, en Suède.

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Pour rechercher des signes de conversion axionique, l’équipe d’astronomes a examiné pendant cinq jours les données de rayons X de Chandra provenant de matériaux tombant vers le trou noir supermassif au centre de l’amas de Persée. Ils ont étudié le spectre de Chandra (ou la quantité d’émission de rayons X observée à différentes énergies) de cette source.

Sur le même sujet : De nouveaux indices expérimentaux suggèrent l’existence d’une particule longtemps théorisée liée à la matière noire

L’absence de traces d’axions dans les gammes de masse étudiées

La longue observation et la source lumineuse de rayons X ont donné un spectre avec une sensibilité suffisante pour montrer des distorsions que les physiciens attendaient si des particules de type axion étaient présentes. L’absence de détection de telles distorsions a permis aux chercheurs d’exclure la présence de la plupart des types de particules de type axion dans la gamme de masse auxquelles leurs observations étaient sensibles, en dessous d’environ un millionième de milliardième de masse d’un électron.

contraintes masse

Contraintes posées sur la masse des axions (étude actuelle et études précédentes). La zone en bleu clair représente les valeurs exclues, et la zone en blanc les valeurs possibles. Le point rouge indique la valeur de masse la plus probable. Crédits : C. Reynolds et al. 2020

« Nos recherches n’excluent pas l’existence de ces particules, mais cela ne va pas dans leur sens. Ces contraintes s’enfoncent dans la gamme de propriétés suggérées par la théorie des cordes, et peuvent aider les théoriciens des cordes à sonder leurs théories », indique Helen Russell de l’Université de Nottingham au Royaume-Uni.

Affiner les contraintes sur la masse et la convertibilité des axions

Le dernier résultat était environ trois à quatre fois plus sensible que la meilleure recherche précédente de particules de type axion, qui provenait des observations de Chandra du trou noir supermassif de M87. Cette étude de Persée est également environ cent fois plus puissante que les mesures actuelles qui peuvent être effectuées dans les laboratoires ici sur Terre, pour la gamme de masses qu’ils ont considérée.

Une interprétation possible de ce travail est que les particules de type axion n’existent pas. Une autre explication est que les particules ont des valeurs de convertibilité encore plus faibles que la limite de détection de cette observation, et inférieures à ce que certains physiciens des particules attendaient. Ils pourraient également avoir des masses plus élevées que celles sondées avec les données de Chandra.

Sources : The Astrophysical Journal

axions chandra

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