Depuis un an, les chercheurs européens et américains traquent l'axion, cette particule théorique qui contribuerait à la matière noire. Aujourd'hui, des chercheurs du CNRS, de l'Université Paul Sabatier et de l'Ecole polytechnique sont les premiers à avoir obtenu des résultats : ils viennent de montrer que l'axion n'était pas là où on l'attendait. Ces résultats sont publiés dans Physical Review Letters du 2 novembre 2007. La particule demeure insaisissable, mais la chasse continue.
Le photon, particule élémentaire de lumière, pourrait se présenter tantôt sous sa forme habituelle, tantôt sous la forme d'un axion, c'est-à-dire une particule légère presque indétectable qui contribuerait à la matière noire, censée représenter le quart de notre univers, mais dont la nature reste une énigme. L'axion est une hypothèse théorique, formulée dans les années 1970 pour réconcilier la théorie de l'interaction forte et les observations. Depuis 30 ans, cette hypothèse n'a jamais été remise en cause, mais l'axion est tellement difficile à détecter que son existence n'a pas non plus été démontrée.
En 2006, les physiciens de l'expérience italienne PVLAS (1) ont annoncé, dans un article de Physical Review Letters, avoir obtenu des résultats expérimentaux prouvant l'existence de l'axion : un faisceau laser se propageant dans le vide, après avoir traversé un champ magnétique, présentait une rotation (2) qui ne pouvait s'expliquer que par la transformation de certains des photons en axions. La nouvelle avait fait très vite le tour du monde. Elle portait en elle l'espoir d'avoir enfin détecté la matière noire dans un laboratoire terrestre. L'enjeu étant de taille, plusieurs grands instituts, le Fermilab et le Jefferson Lab aux Etats-Unis, le CERN en Suisse, le synchrotron DESY en Allemagne se sont immédiatement lancés à la chasse à l'axion. Les chercheurs voulaient confirmer l'observation de cette oscillation photon-axion.
Schéma et photo de l'expérience française qui a permis d'infirmer les résultats italiens.
(voir le texte ci-dessous)
Une équipe française a aussi relevé le défi. Elle est constituée de chercheurs et ingénieurs du CNRS, de l'Université Paul Sabatier (Toulouse) et de l'Ecole Polytechnique, répartis dans trois laboratoires : le Laboratoire collisions, agrégats, réactivité (Toulouse) (3), le Laboratoire national des champs magnétiques pulsés (Toulouse) (4) et le Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (5) (Palaiseau). Ce sont eux qui remportent aujourd'hui la course.
Leur expérience, tout comme celles de leurs concurrents, est une expérience de photorégénération : un faisceau laser traverse un champ magnétique, puis est envoyé sur une paroi opaque à la lumière. Si certains photons se sont transformés en axions, ces derniers traversent la paroi et sont, du moins pour quelques uns d'entre eux, à nouveau transformés en photons par un champ magnétique.
À la sortie de l'expérience, s'il y a bien eu oscillation, les photons régénérés devraient produire une lumière détectable par les physiciens. Or, cette lumière est absente. Les chercheurs montrent ainsi que le phénomène observé par les Italiens ne peut pas être une oscillation photon-axion. C'est grâce à une source laser pulsée parmi les plus énergétiques au monde (1,5 kilojoules en 5 nanosecondes), des aimants pulsés qui fournissent un champ magnétique très intense (15 Teslas, grâce à une technologie développée à Toulouse qui détient le record européen de champ magnétique), un détecteur de photons capable de les compter un par un, que ces chercheurs ont pu devancer leurs collègues étrangers. Avec un si grand nombre de photons pour chaque tir laser (1021 à 1022) et un champ aussi fort, l'interprétation des résultats italiens laissait supposer qu'une trentaine de photons au moins seraient régénérés sur la vingtaine de tirs effectués. Or, aucun photon n'a été observé.
Forte de ce succès et armée d'un appareillage très performant, l'équipe française travaille toujours sur le sujet pour abaisser la limite supérieure de la constante de couplage photon-axion (qui représente la probabilité de la conversion). L'axion court toujours, mais la traque continue.
Notes :
(1) Au Legnaro National Laboratory de l'Institut de physique nucléaire italien.
(2) La direction de polarisation d'un faisceau polarisé linéairement tourne en traversant dans le vide.
(3) CNRS/Université Paul Sabatier
(4) CNRS/INSA Toulouse/Université Paul Sabatier
(5) Marie Curie-Paris 6/CEA
