La matière noire est-elle faite d’axions ?
La semaine dernière, lorsque des scientifiques d’un laboratoire italien ont annoncé que des blips inattendus dans leur détecteur pourraient provenir de particules subatomiques recherchées depuis longtemps, appelées axions, leurs collègues ont fait preuve d’un optimisme prudent : en physique, les détections présumées de nouvelles particules s’estompent souvent pour devenir insignifiantes à mesure que les chercheurs rassemblent plus de données. Et il existe d’autres explications, plus prosaïques, pour ces blips. En revanche, les arguments théoriques en faveur de l’existence des axions sont convaincants pour de nombreux physiciens. Et ces particules hypothétiques sont l’un des principaux candidats à la matière noire, la substance mystérieuse qui constitue la majorité de l’univers matériel. Confirmer que les axions sont réels serait une percée pour la physique des particules – et une découverte aux implications considérables pour notre compréhension de la composition et de l’histoire de l’univers.
L’histoire de l’axion commence dans les années 1970, lorsque les physiciens développant le modèle standard – le cadre qui décrit les particules connues et leurs interactions – ont remarqué quelque chose de bizarre à propos de la force nucléaire forte, qui lie les quarks ensemble pour former les protons et les neutrons dans les noyaux des atomes. Cette force régit en quelque sorte la structure des neutrons pour les rendre parfaitement symétriques. En d’autres termes, bien que le neutron soit neutre, les quarks qui le composent portent une charge et, pour des raisons inconnues, cette charge est répartie de manière incroyablement uniforme (au moins à une partie par milliard près, selon les dernières mesures). Dans le langage de la physique des particules, on dit que le neutron a une symétrie de parité de charge (CP) : inverser toutes ses charges de positives à négatives, tout en observant son comportement dans un miroir, n’aurait aucun effet discernable. La question de savoir pourquoi la particule a cet arrangement est devenue connue sous le nom de « problème CP fort »
Puis, en 1977, Helen Quinn et feu Roberto Peccei, tous deux alors à l’Université de Stanford, ont proposé une solution : peut-être existe-t-il un champ jusqu’alors inconnu qui imprègne tout l’espace et supprime les asymétries du neutron. Plus tard, les physiciens théoriciens Frank Wilczek et Steven Weinberg ont déduit que si le modèle standard était modifié pour permettre l’existence d’un tel champ, cela impliquerait l’existence d’une nouvelle particule, appelée l’axion. (L’axion n’aurait pas de « spin » mécanique quantique, ce qui en ferait un boson. Sa masse, bien qu’elle ne soit pas nulle, serait incroyablement faible.
Malgré leur poids infiniment minuscule, les axions existeraient en si grand nombre que les physiciens ont vite compris qu’ils pourraient expliquer une grande partie de la masse « manquante » de l’univers : Des observations astronomiques remontant aux années 1930 suggèrent que la matière visible – galaxies, étoiles, planètes, etc. – représente moins d’un sixième de la masse totale de toute la matière du cosmos, le reste étant constitué de matière noire. La nature de cette matière noire a fait l’objet d’un débat intense depuis lors.
« L’axion constitue en fait un très bon candidat à la matière noire », déclare Peter Graham de Stanford. Au-delà de l’attente que le cosmos soit inondé de ces particules, les axions seraient naturellement « sombres », ce qui signifie qu’ils n’interagiraient pratiquement pas avec la matière ordinaire. « L’univers aime produire des axions », explique Graham, « et il aime les produire d’une manière telle qu’ils agiraient comme la matière noire froide que nous connaissons. »
« Froide » est une mise en garde importante : les axions que les chercheurs ont prétendument détectés avec l’expérience XENON1T au laboratoire national italien du Gran Sasso auraient probablement été produits à l’intérieur de notre soleil. Ils seraient très énergétiques et donc peu susceptibles d’être un composant de la matière noire. Les axions de matière noire devraient se déplacer lentement, ou être froids, afin de pouvoir se regrouper et guider gravitationnellement l’évolution des galaxies, comme la matière noire est censée le faire. Les théoriciens soupçonnent que de tels axions pourraient avoir été produits dans l’univers primitif. De plus, étant donné que les processus supposés créer des axions froids pourraient être liés à la première poussée de croissance de l’univers – un extraordinaire gonflement de sa taille connu sous le nom d’inflation – la découverte et l’étude plus approfondie de ces particules insaisissables pourraient aider les physiciens à comprendre les tout premiers moments qui ont suivi le big bang. Même si la découverte des axions ne prouverait pas que l’inflation a eu lieu, dit Graham, elle donnerait un aperçu précieux de la physique de cette époque. « Pour moi, c’est ce qui est passionnant avec les axions », ajoute-t-il.
Pour autant, les scientifiques réagissent avec prudence – y compris ceux de l’équipe XENON1T. Tout ce dont ils sont sûrs, c’est qu’ils ont observé un nombre étonnamment élevé de « reculs » d’électrons dans l’énorme cuve de xénon liquide qui constitue le cœur de l’expérience. Ce qui a fait sauter les électrons est sujet à débat. Si des particules subatomiques appelées neutrinos ont des propriétés magnétiques imprévues, cette disposition pourrait expliquer les résultats observés. L’explication pourrait aussi être plus banale : le xénon pourrait simplement être contaminé par du tritium, une forme plus lourde d’hydrogène dont le rayonnement naturel pourrait avoir brouillé le signal observé à XENON1T. En outre, le niveau de confiance associé au signal anormal n’est que de « 3,5 sigma », ce qui signifie qu’il y a une chance sur 5 000 que le « signal » ne soit en fait que du bruit, le produit de fluctuations statistiques plutôt qu’une véritable nouvelle physique. Ces chances peuvent sembler bonnes, mais elles sont bien inférieures à la norme d’une chance sur 3,5 millions, ou « cinq sigma », traditionnellement liée aux découvertes légitimes en physique des particules.
En plus d’accumuler davantage de données et de mettre à niveau leur expérience, les chercheurs de XENON1T rechercheront tout changement annuel dans le signal apparent. Les axions solaires devraient faire fluctuer ce signal lorsque la Terre tourne autour du soleil. Entre-temps, des preuves corroborantes pourraient provenir de l’expérience ADMX (Axion Dark Matter Experiment) de l’université de Washington ou d’une expérience connue sous le nom de CAST (CERN Axion Solar Telescope) au CERN, près de Genève. ADMX a déjà réussi à imposer de nouvelles contraintes sur la masse de l’axion, et CAST chasse les axions solaires depuis 2003.
Si les axions s’avèrent réels, ce serait « un triomphe de la physique théorique – avoir avancé ce genre d’argument esthétique, et puis la nature dit « Ouaip, c’est vrai » », déclare Wilczek, qui est basé au Massachusetts Institute of Technology et a été corécipiendaire du prix Nobel de physique 2004 pour ses travaux théoriques sur la force nucléaire forte. L’existence d’axions, dit-il, indiquerait une nouvelle physique au-delà du modèle standard, ce que lui et ses collègues anticipent depuis des décennies. Selon M. Wilczek, de nouveaux types d’antennes pourraient être construits pour rechercher les axions créés dans l’univers primitif. Si ces axions peuvent être mesurés avec succès, cela « ouvrirait un nouveau chapitre de l’astronomie », ajoute-t-il, car le comportement de ces particules pourrait faire la lumière sur la formation des galaxies et « peut-être d’autres choses surprenantes ».
Bien que de tels développements seraient probablement dignes d’un Nobel, Wilczek ne fait pas de place sur son étagère pour une deuxième médaille. Mais si un autre Nobel se présentait, dit-il, il « ne le refuserait pas ».