Chasse aux axions solaires dans le xénon liquide express
À l'intérieur du Soleil, des réactions peuvent produire des particules légères et presque insaisissables : les axions. L'une de ces réactions génère des axions avec une énergie de 5,49 MeV, comme si chacun portait l'énergie d'une balle de tennis filant à 100 km/h. Ces particules traversent librement la Terre, mais peuvent parfois entrer en collision avec un atome de xénon.
Lorsqu'un axion pénètre dans un réservoir de xénon liquide, il peut se transformer en une paire : un électron et son antiparticule, le positon. La probabilité de cette transformation augmente fortement si la masse de l'axion est proche du double de la masse de l'électron. Le xénon n'est pas choisi au hasard : plus l'atome est lourd, plus les chances de capturer un axion sont grandes, car la probabilité croît comme le carré de la charge du noyau.
Les futurs détecteurs à xénon liquide, comme XENONnT et LZ, pourraient accumuler suffisamment de données en quelques années de fonctionnement. Avec une exposition de 200 tonnes·années, la sensibilité à la combinaison des constantes de couplage atteindrait 1,59×10⁻¹⁴, et avec 1000 tonnes·années, 7,12×10⁻¹⁵. Cela surpasserait les limites actuelles du détecteur de neutrinos Borexino et serait comparable aux futurs géants comme JUNO et Hyper-Kamiokande.
Si les axions existent et se couplent aux photons, la sensibilité à la combinaison des constantes pourrait atteindre 6,76×10⁻¹² GeV⁻¹ avec 200 tonnes·années et 3,02×10⁻¹² GeV⁻¹ avec 1000 tonnes·années. Cela permettrait de tester une large classe de modèles théoriques et, peut-être, d'observer pour la première fois une trace du champ axionique.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2608.15699v1
The monochromatic 5.49 MeV solar axions induced by the isovector coupling $$g_{3aN}$$ can be searched for at the dark matter direct detection experiments. In this paper we estimate the prospects of the relevant axion couplings for axion mass $$m_{a} <$$ 1 MeV with xenon targets. Given the axion-electron coupling $$g_{ae}$$, the signal is dominated by the axion-induced $$e^+ e^-$$ pair production whose cross section is largely enhanced when the axion mass approaches twice of the electron mass. Furthermore, the cross section depends on the atomic number squared $$Z^2$$. This allows the next-generation xenon experiments to surpass the current Borexino constraints and provide sensitivities competitive with those of the large neutrino detectors such as JUNO and Hyper-Kamiokande. With an exposure of 200 and 1000 ton$$\cdot$$yr, the couplings $$|g_{3aN} g_{ae}|$$ can be probed down to $$1.59\times10^{-14}$$ and $$7.12\times10^{-15}$$ at 90% C.L., respectively. If the axion couples to photons, the projected sensitivities on $$|g_{3aN}g_{a\gamma}|$$ can touch down to $$6.76\times10^{-12}$$ GeV$$^{-1}$$ and $$3.02\times10^{-12}$$ GeV$$^{-1}$$, respectively.
L'axion doit son nom à une marque de lessive, car il était censé « nettoyer » la théorie de son problème.
Dans le roman « Le Problème à trois corps » de Liu Cixin, les axions sont mentionnés comme un possible canal de communication pour les extraterrestres — presque insaisissable, mais omniprésent.