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Une objection à l'existence des axions levée !

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L'axion est une hypothétique particule postulée par le Prix Nobel Franck Wilczek pour résoudre des problèmes de la QCD. C'est un bon candidat pour expliquer ce qu'est la matière noire et selon la théorie, le Soleil en produirait. Deux expériences, PVLAS et CAST, donnent des résultats contradictoires à ce sujet. Les physiciens Rabi Mohapatra de l'Université du Maryland et Salah Nasri de l'Université de Floride ont peut être trouvé la clé de l'énigme !

Franck Wilczek donnant une conférence (Crédit : Brookhaven National Laboratory)

Qu'est-ce qu'un axion ?

La théorie des forces nucléaires fortes, la chromodynamique quantique, est censée pouvoir décrire toutes les propriétés des hadrons comme les protons et les neutrons. Comme ceux-ci font aussi intervenir des effets électromagnétiques, il existe un couplage entre les deux. Or, certains des effets de ce couplage autorisés par la théorie devraient être observés avec le neutron, et bien évidemment l'Univers ne semble pas en être au courant ! Le monument impeccable du modèle standard des interactions fondamentales est-il faux ou s'agit-il d'une toute petite tache aisément nettoyable ?

Pour Peccei, Quinn et surtout Wilczek, c'est cette dernière possibilité qui est la bonne. Il est possible d'éliminer cette tache en introduisant une nouvelle particule très légère interagissant très faiblement avec la matière et le champ électromagnétique. Ne manquant pas d'humour, Wilczek l'a baptisée «axion» en reprenant le nom d'une marque de lessive ! Remarquablement, cette particule devrait être produite abondamment par les étoiles et dans les premiers instants de l'Univers, ce qui en ferait un candidat idéal pour expliquer ce qu'est la matière noire. On devrait pouvoir la détecter en laboratoire en provenance du Soleil ou dans certaines situations faisant intervenir un rayon laser.

Or les choses se sont à nouveau gâtées il y a peu de temps !

Le télescope à axions CAST du CERN impose des limites à la masse et au couplage de l'axion que viole l'expérience PVLAS ! CAST n'observe pas d'axions mais l'autre expérience semble de façon assez solide, bien que pas encore définitive, en donner des signes d'existences. Comment s'en sortir sans remettre en cause ni les expériences ni abandonner l'hypothèse de l'axion ?

La solution

Mohapatra et Nasri ont alors introduit un nouveau type de particule associée à un mécanisme de brisure de symétrie comparable à celui du Higgs. Cette particule serait peu massive et se couplerait elle aussi faiblement à l'axion ou aux autre particules, elle ne pèserait que 100 Mev environ.

A l'intérieur du soleil, tout comme un aimant perd son magnétisme à haute température, le couplage entre les photons et l'axion serait détruit ou considérablement affaiblit ! Pas étonnant que CAST n'observe rien, effectivement le Soleil produirait beaucoup moins d'axions que ce qu'on pensait jusqu'à présent. Les deux expériences seraient ainsi réconciliées.

Bien sûr, cela force tout de même à reconsidérer le rôle des axions en astrophysique et en cosmologie, et la nouvelle particule ne doit pas prédire d'effets en contradiction avec ce que l'on connaît déjà dans ces domaines et les expériences en physique des particules. Il semblerait, d'après les auteurs de l'article, que ce soit bien le cas !

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