À la recherche des axions

En 1880, les frères français Pierre et Jacques Curie ont démontré une propriété remarquable et inhabituelle de la nature.

Lorsque certains types de matériaux, tels que le quartz, la tourmaline, la topaze, le sucre de canne ou le sel de Rochelle, sont comprimés ou pressés, une charge électrique est générée à travers le matériau.

C’est ce qu’on appelle la piézoélectricité, dérivée du mot grec piezein, qui signifie presser.

La démonstration de Pierre (qui épousa plus tard Marie Skłodowska, mieux connue sous le nom de Marie Curie, et partagea avec elle le prix Nobel pour leurs travaux sur la radioactivité) et Jacques s’est avérée incroyablement utile.

Ses applications ont inclus des guitares amplifiées électroniquement et des batteries électroniques, des générateurs d’horloge et es microscopes à sonde à balayage qui résolvent les images à l’échelle des atomes.

Aujourd’hui, une collaboration entre Asimina Arvanitaki, une physicienne des particules de Grèce titulaire de la chaire Aristarque de la Fondation Stavros Niarchos à l’Institut Périmètre, Amalia Madden, une étudiante au doctorat récemment diplômée de l’Institut Périmètre, et Ken Van Tilburg, un membre conjoint du corps professoral de l’Université de New York et de l’institut Flatiron, propose que le même effet pourrait également être utilisé pour sonder d’hypothétiques particules de matière noire appelées axions.

Ils ont récemment publié un article intitulé « Piezoaxionic effect » dans Physical Review D. Dans cet article, ils ont avancé la possibilité que dans certains matériaux piézoélectriques, les axions puissent produire un signal détectable, qu’ils appellent l’« effet piézoaxionique ».

Arvanitaki est bien connu pour avoir conçu des expériences « de simulation » innovantes qui sont beaucoup plus petites, et représentent une fraction du coût des accélérateurs de particules géants, mais qui restent extrêmement précises. Ces expériences pourraient fournir des données qui pourraient résoudre certaines questions fondamentales de la physique.

Cette idée de sonder les axions via l’effet piézoélectrique « fait partie de la catégorie des expériences de simulation qui ont une grande sensibilité », explique Arvanitaki.

Il leur faudra ensuite réunir un groupe expérimental pour tester l’idée.

Pour sonder ces effets, les expérimentateurs pourraient utiliser une grande partie de la même technologie que celle proposée dans une recherche précédente publiée dans Physical Review Letters, intitulée Le son de la matière noire : À la recherche de scalaires lumineux avec des détecteurs de masse résonnante « Sound of Dark Matter: Searching for Light Scalars with Resonant-Mass Detectors ». Cette recherche a exploré l’idée que la matière noire pourrait être un type d’onde qui résonne, comme une corde de guitare. 

Les scientifiques suggèrent que le fond axionique a une sorte d’effet de « respiration » oscillant. Si tel est le cas, ce fond axionique peut alors produire un champ de déplacement électrique qui peut donner lieu à une tension à travers un cristal. Ils appellent cela l’« effet électroaxionique ».

Une partie importante de l’histoire des axions est liée à ce que l’on appelle la « brisure de symétrie ».

La symétrie est un aspect inhérent à la nature qui fait référence aux propriétés d’un système physique qui restent les mêmes quelle que soit la façon dont le reste du système change.

Il existe différents types de symétries en physique. La symétrie de translation spatiale, par exemple, signifie que certaines lois de la physique (comme la vitesse de la lumière, mais aussi d’autres lois) sont les mêmes ici, en Australie, sur la Lune, et probablement même dans un coin très éloigné de l’univers.

Mais il existe d’autres types de symétries qui sont importantes pour les lois sous-jacentes régissant le comportement des particules et des forces. La symétrie de charge, par exemple, permet de remplacer des particules chargées positivement par des particules chargées négativement sans modifier le comportement de l’ensemble du système.

Le fait que les symétries puissent être brisées, ce qui peut également conduire à des aspects nouveaux et non encore découverts de la nature, est tout aussi magnifique.

On peut imaginer la symétrie comme un crayon parfaitement équilibré posé sur sa pointe, formant ainsi un système symétrique. Lorsqu’il tombe et bascule dans une direction, la symétrie est brisée. Quelque chose de nouveau s’est produit.

La brisure de symétrie peut entraîner la révélation de nouvelles particules et forces. L’existence du quark, par exemple, a été prédite grâce à l’observation d’une symétrie brisée. De même, le mécanisme de Higgs qui donne de la masse aux particules repose sur la brisure de symétrie. Lorsque l’univers est né, le champ de Higgs était peut-être dans un état bien équilibré et symétrique, comme le crayon posé sur sa pointe. Mais quelques fractions de seconde plus tard, il a basculé.

De même, dans certains types de cristaux piézoélectriques, la brisure d’autres types de symétries, à savoir la symétrie de parité et la symétrie de renversement du temps, peut ouvrir une fenêtre sur l’existence du champ axionique. « Ces symétries brisées sont ce qui rend ces cristaux si bien adaptés à la recherche du champ axionique », explique Madden.

La symétrie de parité est l’idée selon laquelle les lois de la physique devraient être les mêmes si une particule est échangée avec son antiparticule et qu’elle est inversée ou reflétée. La symétrie de renversement du temps est l’idée que les lois de la physique devraient être les mêmes si l’on observe un système en avançant ou en reculant dans le temps.

C’est Chien-Shiung Wu, également connue sous le nom de Madame Wu ou la « Première Dame de la physique », qui a réalisé une magnifique expérience démontrant que la désintégration bêta, qui est régie par la force faible, peut violer la symétrie de parité.

Mais cela est étrange car les symétries de charge et de parité (CP) sont toutes deux préservées dans la force forte qui maintient les quarks et les gluons étroitement liés dans les noyaux des atomes. Le modèle standard de la physique des particules ne peut pas facilement expliquer pourquoi les interactions de force forte ne violent pas les symétries de charge et de parité alors que les interactions de force faible le peuvent. C’est l’énigme du problème de « CP fort » en physique.

Ainsi, en plus d’être de bons candidats à la matière noire, les axions, s’ils étaient découverts, pourraient aider à résoudre le problème de CP fort.

Amalia Madden ajoute que ce sont les axions eux-mêmes qui font le travail.

« Les axions oscillent ou respirent déjà », explique-t-elle. « Mais en raison de la nature des matériaux piézoélectriques, lorsque vous les déformez, vous pouvez obtenir ce courant électrique ou ce signal électrique, et ensuite vous pouvez lire ce signal. »

Les physiciens du monde entier sont impatients de trouver un moyen de détecter les axions. Ce nouvel article fournit une nouvelle idée qui, espèrent les chercheurs, suscitera l’intérêt auprès des expérimentateurs.

La détection de ces signaux ne sera pas chose facile. « Nous recherchons un signal vraiment minuscule », explique Madden. Elle ajoute que la première étape vers la mise en place d’une expérience consistera à identifier le type de cristal ou de matériau dans lequel ces effets sont le plus susceptibles d’être détectés.

« Ce n’est pas n’importe quel cristal piézoélectrique qui fonctionnera, car nous avons besoin de ces types particuliers de noyaux. Une fois que les expérimentateurs ont fabriqué un cristal très, très pur pour nous, il doit être refroidi à une température très basse », explique Madden. « Ce n’est pas quelque chose que vous pouvez faire dans votre sous-sol. Vous avez besoin d’un équipement spécialisé. »

Malgré les défis, ce n’est pas une idée irréaliste. Il existe aujourd’hui des équipements capables de mesurer des courants électriques extrêmement faibles. En exécutant l’expérience sur une longue période et en recueillant beaucoup de données, il pourrait être possible de trouver les signatures des axions, explique Madden.

Une grande partie de la technologie a déjà été développée pour rechercher les ondes gravitationnelles avec des détecteurs de masse résonnante, ajoute Arvanitaki. « La partie la plus difficile de ce que nous proposons est d’identifier le bon matériau à tester », explique-t-elle. « Nous avons besoin de matériaux avec des atomes qui ont des noyaux très lourds. Mais en même temps, nous avons besoin qu’ils aient une faible radioactivité car nous devons les placer dans un environnement très froid. »

Arvanitaki ajoute que la découverte des effets des axions serait un merveilleux ajout à l’histoire de l’effet piézoélectrique qui a une longue histoire et est liée aux travaux effectués par les célèbres frères Curie il y a 144 ans.

La nature de la matière noire est un mystère depuis des décennies et rien ne garantit que les expériences futures trouveront les signaux proposés dans cet article récent.

Mais Arvanitaki estime que le mieux que les physiciens théoriciens puissent faire est de faire des propositions éclairées qui pourront être testées dans de futures expériences. « Nous pensons que c’est ce que nous avons fait dans cet article », dit-elle. « L’axion est une particule bien motivée et elle a une raison d’être là. Mais ce que fait la nature, c’est une toute autre histoire. Elle n’a aucune obligation de suivre ce que nous disons. »

Pour Madden, la possibilité qu’une détection soit faite est exaltante. « Ce serait phénoménal », dit-elle. « Je ne pense pas que nous puissions exagérer à quel point cela serait excitant. Mais même s’ils ne trouvent pas le signal, si quelqu’un construit l’expérience, nous serions ravis. »