détecteur d'axions

Au sous-sol du laboratoire, un aimant de 8 teslas bourdonne. À l'intérieur, tel une cloche dans un clocher, est suspendu un cylindre creux en cuivre, accordé sur une note unique. Si un axion, particule de matière noire, venait à passer à proximité, le cylindre répondrait par un tintement faible.

Une boule de billard est suspendue en l'air. De petites billes sont tirées sur elle depuis un tube soufflant. Chaque impact est à peine perceptible, mais si la boule est très légère et ne tremble presque pas à cause de la chaleur, on peut distinguer les chocs individuels.

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.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles ressemblent à des oreilles très fines : ils captent les frémissements de l'espace lorsque des trous noirs ou des étoiles à neutrons entrent en collision quelque part dans l'Univers. Mais même les « oreilles » les plus perfectionnées n'entendent pas tout.

Les ondes gravitationnelles issues de la fusion de trous noirs résonnent comme des accords de basse, les pulsars marquent le rythme, et le rayonnement fossile nous parvient comme un écho du Big Bang. Mais il y a un acteur silencieux — la matière noire, dont la présence n'est révélée que par ses effets gravitationnels.

Dans un système binaire serré, une étoile chaude, tel un projecteur, éclaire son compagnon plus froid. Une partie de la lumière est diffusée par les électrons libres de son atmosphère — c'est la diffusion de Thomson — et acquiert une polarisation linéaire.

Dans l'obscurité totale d'une chambre à vide flotte un minuscule aimant. Il ne touche pas les parois et ne perd presque pas d'énergie – un gardien idéal, prêt à capter la plus faible impulsion. C'est exactement le genre de gardien nécessaire pour la chasse aux axions.

Une mer qui imprègne tout l'espace reste invisible pour nous. Cette mer, c'est la matière noire, et les vagues à sa surface sont des particules appelées axions. Elles sont si légères et si insaisissables qu'elles traversent la Terre sans même la remarquer.

L'histoire a commencé il y a près d'un siècle, lorsque Edwin Hubble a montré que les galaxies s'éloignent, et que Fritz Zwicky et Vera Rubin ont compris plus tard que leurs mouvements nécessitent une masse invisible — la matière noire.

Dans une pièce sombre, une perle de verre de la taille d'un grain de poussière est suspendue dans un faisceau laser. En dessous, deux miroirs : l'un en aluminium, l'autre en argent.

Lorsque la lumière passe à proximité d'un trou noir, elle tombe dans un piège gravitationnel : sa trajectoire est courbée, et la particule zigzague sur une orbite presque fermée, telle une bille de flipper.

La matière noire échappe toujours à l'observation directe, bien que sa gravité maintienne les galaxies ensemble. Une des hypothèses : elle serait constituée d'axions, des particules très légères prédites par la théorie du modèle standard.

En 1987, les astronomes ont observé l'éclat d'une supernova dans une galaxie voisine, le Grand Nuage de Magellan. Ce fut un cadeau rare : l'explosion était assez proche pour capturer non seulement la lumière, mais aussi les neutrinos (des particules quasi insaisissables qui traversent la Terre de part en part).

Lorsqu'on chauffe de la matière à des millions de degrés, elle se transforme en plasma – un mélange d'électrons libres et d'ions, semblable à une soupe bouillonnante de particules chargées. On ne peut pas sonder cette « soupe » avec un thermomètre ordinaire, mais on peut l'éclairer avec des rayons X.

Un cristal plat d'atomes chargés, suspendus dans un piège électromagnétique, fonctionne comme un étang parfaitement lisse. Le moindre souffle – et des rides parcourent sa surface.

Imaginez une pièce minuscule cachée dans un coffre-fort parfait, mais dont les parois sont si fines que la pièce passe parfois à travers, laissant un son à peine perceptible. Les axions sont comme ces pièces, sauf qu'au lieu du métal, ce sont des particules, et au lieu du coffre, c'est la matière ordinaire.

Le champ magnétique terrestre, qui fait tourner l'aiguille d'une boussole, est puissant. Le nouveau capteur détecte des champs cent mille fois plus faibles, sans avoir besoin d'hélium liquide ni d'installations encombrantes. Tout tient sur un circuit imprimé — comme celui à l'intérieur d'un smartphone.

Un minuscule anneau supraconducteur, refroidi presque au zéro absolu, pourrait ressentir le contact d'une particule des milliards de fois plus légère qu'un électron. Il s'agit de l'axion — une particule hypothétique qui pourrait constituer la matière noire emplissant l'Univers.

Le spectre du rayonnement gamma ressemble à une palissade : chaque raie est l'énergie exacte que le noyau a cédée au photon. Mais parfois, dans cette palissade, apparaissent des « fantômes » — des raies faibles, décalées d'une même quantité par rapport aux raies principales.

La matière noire, cette masse invisible qui maintient les galaxies ensemble. Sa nature est inconnue, mais l'un des candidats probables est l'axion, une particule ultra-légère qui interagit à peine avec la matière. Pour l'attraper, des physiciens ont créé un piège hybride.

Un minuscule supraconducteur en lévitation au-dessus d'un aimant, c'est comme un bouchon à la surface d'un océan invisible. Le moindre souffle de matière noire le fait frémir. Les scientifiques ont envisagé deux types de ce « vent ».

Dans une mine sombre sous les Alpes italiennes, une cuve contient trois tonnes de xénon liquide. Lorsqu'une particule y pénètre, elle arrache aux atomes de faibles flashs de lumière et des nuages d'électrons.

Un détecteur de matière noire ressemble à un microphone très sensible qui écoute le silence. Il capte de minuscules secousses thermiques – les phonons – qui se produisent lorsqu'une particule frôle le cristal.

Les trous noirs ne sont pas des gouffres silencieux, mais des diapasons naturels. Leur rotation vertigineuse, prédite par Roger Penrose, fait chanter l'espace-temps lui-même, engendrant un flux de particules ultralégères, les axions.

Une étoile à neutrons de la taille d'une ville effectue trente rotations par seconde. Son champ magnétique est des milliers de milliards de fois plus intense que celui de la Terre.

Le qubit, cellule de calcul d'un ordinateur quantique, ne vit que quelques fractions de milliseconde avant d'oublier son état.

Un détecteur de matière noire, c'est comme une pièce où l'on essaie d'entendre un chuchotement alors qu'à côté, un poste de radio crache des parasites. Ces parasites sont créés par les atomes de radon, un gaz radioactif qui s'infiltre depuis les matériaux et l'air.

L'univers est maintenu par une charpente invisible de matière noire. Peut-être qu'une partie de celle-ci est constituée de photons sombres, des copies fantomatiques de la lumière qui traversent la matière.

Dans un détecteur de matière noire, le gaz joue le rôle de pellicule photographique : une particule qui le traverse laisse une traînée d'électrons libres et d'ions. Mais la luminosité de cette traînée dépend de la façon dont la particule dissipe son énergie dans le gaz.

Un photon de rayons X frappe le capteur comme un caillou tombe dans une eau calme. L'eau, c'est un film mince d'aluminium et de manganèse, refroidi presque au zéro absolu. L'impact sur le film fait naître une onde de chaleur, et la hauteur de cette onde permet de savoir combien d'énergie le photon a apporté.

Une balle qui ne perce pas une seule cible, mais laisse des traces dans plusieurs couches de blindage. C'est à peu près ainsi que se comporte la matière noire super-lourde, recherchée pour la première fois dans le détecteur DarkSide-50.

Un résonateur métallique, refroidi presque au zéro absolu, écoute le bruit radio de l'Univers. Parmi le chaos des fluctuations thermiques et de l'électronique, un pic faible pourrait apparaître — la trace d'un axion, une particule qui pourrait constituer la matière noire.

La matière noire est invisible, mais on peut la surprendre au rebond. L'hydrogène intégré dans un film de carbone agit comme une boule de billard : lorsqu'une particule de matière noire le percute, le proton s'échappe. Cette éjection est précisément le signal recherché.

Une casserole sur la cuisinière chante lorsque l'eau bout. Une tasse en cuivre vide peut aussi « chanter » à la fréquence des ondes radio, si une particule de matière noire naît à l'intérieur. Ces particules sont appelées axions et, selon une hypothèse, elles remplissent toute la galaxie d'un nuage invisible.

Du plomb antique, resté deux mille ans au fond de la mer, est devenu le cœur d'un détecteur qui traque la substance la plus insaisissable de l'Univers. On en a fait croître un cristal transparent de tungstate de plomb de 13 grammes, refroidi presque au zéro absolu.

La matière noire est une substance invisible qui maintient les galaxies ensemble, mais qui échappe encore à toute observation directe.

Le laser à rayons X LCLS-II, en Californie, émet de brèves impulsions puissantes, comme un stroboscope en boîte de nuit. Entre les impulsions, il reste des pauses sombres d'une durée de 26,9 nanosecondes (milliards de seconde).

La matière noire n'émet ni ne réfléchit la lumière, mais son attraction empêche les galaxies de se disloquer. De quoi est-elle faite ? C'est une énigme. L'un des principaux candidats est l'axion, une particule extrêmement légère.

Au plus profond d'un laboratoire souterrain, un détecteur de la taille d'une pièce attend un événement qui pourrait ne se produire qu'une fois tous les cent milliards de milliards d'années.

La matière noire est cinq fois plus massive que la matière ordinaire, mais elle n'émet pas de lumière. Sa nature est inconnue. L'un des candidats est constitué de particules ultra-légères : les axions. Ils peuvent traverser la planète de part en part, sans presque remarquer les atomes.