Proposés comme solution en 1977 au problème de la symétrie CP en chromodynamique quantique, les axions sont des particules hypothétiques neutres et de très faible masse, considérés aujourd’hui comme des candidats potentiels à la matière noire. Tandis que plusieurs expériences visent à détecter ces particules, une équipe de physiciens a récemment découvert des indices montrant que les axions pourraient bel et bien exister. Bien que ces résultats ne prouvent pas directement l’existence des axions, ils constituent une étape importante dans la recherche des particules.
Les physiciens ont trouvé des indices sur l’existence de l’axion, une particule insaisissable qui interagit rarement avec la matière normale. L’axion a été prédit pour la première fois il y a plus de 40 ans, mais n’a jamais été observé jusqu’à maintenant.
Les physiciens ont suggéré que la matière noire pourrait être composée d’axions. Mais plutôt que de chercher les axions dans l’espace, ils ont découvert les signatures mathématiques d’un axion dans un matériau particulier ici sur Terre. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature.
L’axion nouvellement découvert n’est pas tout à fait une particule habituelle : il agit comme une onde d’électrons dans un matériau surfondu appelé semi-métal. Cette particule étrange pourrait également aider à résoudre une énigme physique de longue date, connue sous le nom de problème CP fort. Pour une raison quelconque, les lois de la physique semblent agir de la même façon sur les particules et leurs partenaires d’antimatière, même lorsque leurs coordonnées spatiales sont inversées.
Ce phénomène est connu sous le nom de symétrie charge-parité, mais le Modèle Standard ne dit rien à propos de l’origine de cette symétrie. La symétrie inattendue peut s’expliquer par l’existence d’un champ spécial (champ axionique) ; détecter un axion prouverait que ce champ existe, résolvant ainsi ce mystère.
Rechercher les axions sous forme de quasi-particules dans la matière condensée
Parce que les physiciens pensent que la particule interagit à peine avec la matière ordinaire, ils ont supposé qu’il serait difficile de la détecter à l’aide de télescopes spatiaux existants. Les chercheurs se sont donc tournés vers la matière condensée.
Des expériences sur la matière condensée, comme celle menée ici, ont été utilisées pour mettre en évidence des particules prédites insaisissables dans plusieurs cas bien connus, notamment celui du fermion majorana.
Les particules ne sont pas détectées dans le sens habituel, mais se retrouvent sous forme de vibrations collectives dans des matériaux qui se comportent et répondent exactement comme le ferait une particule. Il s’agit donc de quasi-particules.
L’équipe de recherche a travaillé avec un semi-métal de Weyl (TaSe4)2I, un matériau spécial dans lequel les électrons se comportent comme s’ils n’avaient pas de masse, n’interagissaient pas et se divisaient en deux types : droitier et gaucher.
La propriété d’être droitier ou gaucher s’appelle chiralité ; la chiralité dans le semi-métal de Weyl est conservée, ce qui signifie qu’il existe un nombre égal d’électrons droits et gauches. Refroidir le semi-métal à moins 11 °C a permis aux électrons d’interagir et de se condenser pour former un cristal qui leur est propre.
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Une étape importante vers une possible détection directe des axions
Les ondes de vibrations se propageant à travers les cristaux sont appelées phonons. Etant donné que les lois étranges de la mécanique quantique dictent que les particules peuvent également se comporter en ondes, certains phonons ont les mêmes propriétés que les particules quantiques classiques, tels que les électrons et les photons.
Gooth et ses collègues ont observé des phonons dans le cristal électronique, qui répondaient aux champs électriques et magnétiques exactement comme on le prédisait pour les axions.
De plus, ces quasi-particules n’avaient pas un nombre égal de particules droites et gauches (les physiciens ont également prédit que les axions briseraient la conservation de la chiralité).
Frank Wilczek (prix Nobel de physique), qui n’a pas participé à la présente étude, a également suggéré qu’un matériau tel que le semi-métal de Weyl pourrait un jour être utilisé comme une sorte « d’antenne » pour détecter des axions fondamentaux, ou des axions qui existent à leur manière en tant que particules dans l’Univers, plutôt que comme des vibrations collectives.
Tandis que la recherche de l’axion en tant que particule unique et indépendante va continuer, des expériences comme celle-ci aident les expériences de détection plus traditionnelles en fournissant des limites et des estimations des propriétés de la particule, telle que la masse. Cela donne aux autres expérimentateurs une meilleure idée de l’endroit où chercher ces particules. Cela démontre également de manière convaincante que l’existence de la particule est possible.
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