Imaginez un récepteur radio dont une seule molette de réglage déplace d'un coup toutes les bobines internes, comme un seul organisme. C'est exactement le principe du nouvel instrument de recherche de l'axion, cette particule qui pourrait emplir les galaxies d'une masse invisible. Dans un cylindre de cuivre haut comme une boîte de café sont logées des tiges d'oxyde d'aluminium. La rotation d'un arbre les fait converger ou diverger en parfaite synchronie, modifiant la fréquence sur laquelle le résonateur est accordé. Cette mécanique s'inspire du kirigami, l'art de découper et plier le papier, où une seule entaille fait bouger toute la structure de façon coordonnée.
Un résonateur classique cherche l'axion sur le mode fondamental : la fréquence augmente si l'on réduit la taille de la cavité. Mais alors le volume diminue, et avec lui la probabilité de capturer la particule. Les modes supérieurs résolvent ce problème : la fréquence grimpe sans perte de volume, sauf que le champ électrique interne se neutralise lui-même et le signal s'affaiblit.
C'est là que les tiges diélectriques entrent en jeu : elles redistribuent le champ pour qu'il interagisse à nouveau efficacement avec le champ magnétique. Le facteur de forme, c'est-à-dire la mesure de cette coïncidence, remonte de presque zéro à 0.55 de l'idéal.
Mais les modes supérieurs sont capricieux : lorsqu'on ajuste la fréquence, la symétrie du champ se casse facilement et le signal disparaît. Un mécanisme auxétique résout aussi ce problème. Les auxétiques sont des matériaux qui, sous traction, s'épaississent au lieu de s'amincir. Ici, la propriété est exploitée à l'envers : la rotation de l'arbre central fait diverger les tiges strictement radialement, préservant la forme du champ. Le résonateur peut donc être accordé en continu, comme un récepteur radio, sans perdre en sensibilité.
L'installation a été refroidie à 40 millikelvins, plus froid que l'espace interstellaire, et placée dans un champ magnétique de 9.8 teslas, des centaines de milliers de fois plus intense que celui de la Terre. Le signal était amplifié par un amplificateur quantique à jonction Josephson, qui ajoute un minimum de bruit.
Deux nouveaux balayages ont couvert la bande 4.98–5.07 gigahertz, ce qui correspond à une masse d'axion de 20.61–20.95 microélectronvolts. Avec les mesures précédentes, on obtient une couverture continue de près de 300 mégahertz, une première pour un résonateur unique sur un mode supérieur.
La sensibilité a atteint 1.8 fois la référence KSVZ, un modèle théorique qui prédit la force du couplage entre l'axion et le photon. Autrement dit, les couplages environ deux fois plus forts que la prédiction sont exclus. Aucun candidat n'a survécu au second balayage, d'où l'établissement de limites supérieures avec un niveau de confiance de 90 %. L'expérience n'a pas attrapé l'axion, mais elle a montré que les modes supérieurs ne sont plus une impasse : ils sont devenus un outil pratique.
Ce résonateur caméléon est maintenant prêt pour de nouvelles chasses. Le principe peut être transposé à des modes encore plus élevés, où la fréquence est multipliée par 3.6 et où les diélectriques peuvent restaurer le signal jusqu'à 0.45 de l'idéal. C'est peut-être ainsi que l'on parviendra enfin à entendre le murmure de la matière noire dans le bruit du cosmos.
Les matériaux auxétiques s'épaississent lorsqu'on les étire, au lieu de s'amincir comme les matériaux ordinaires. Dans le mécanisme de réglage, cette propriété est utilisée à l'envers : la rotation de l'arbre fait s'écarter ou se rapprocher les tiges en synchronie, modifiant la fréquence du résonateur, comme on accorde un poste de radio.
Dans le roman de Liu Cixin « Le Problème à trois corps », la matière noire reste une énigme que l'humanité tente de percer à l'aide d'accélérateurs géants. Les haloscopes à axions, comme celui décrit ici, offrent une voie plus discrète : écouter le cosmos dans le domaine des micro-ondes, en espérant saisir le murmure d'un champ invisible.