couplage axion-photon

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.

L'Univers primordial ressemble à un chaudron bouillonnant où particules et antiparticules naissent et meurent en proportions égales. Mais aujourd'hui, tout autour de nous n'est que matière : étoiles, planètes, nous-mêmes. Comment un infime excès d'un milliardième a-t-il pu émerger de l'égalité initiale ?

La lumière issue de l'époque la plus chaude de l'Univers voyage vers nous depuis près de 14 milliards d'années. C'est le fond diffus cosmologique — une faible lueur qui remplit tout le ciel.

Dans la première fraction de seconde après le Big Bang, l'Univers s'est gonflé à une vitesse inimaginable. Le moteur de cette expansion pourrait être un champ semblable à une bille qui dévale lentement une pente — on l'appelle l'axion.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, l'Univers s'est gonflé à une vitesse prodigieuse — on appelle cette phase l'inflation. Même le vide n'était pas calme : des secousses quantiques agitaient les champs, comme le vent fait onduler les blés. L'un de ces champs, le champ de Higgs sombre, a pu s'écarter par hasard de sa position la plus stable.

À 123 parsecs de la Terre, dans la constellation de la Couronne australe, flotte l'étoile à neutrons RX J1856.5-3754. Son diamètre est d'environ 12 kilomètres, soit moins que le périphérique de Paris, mais sa température de surface atteint 460 000 kelvins.

Un phare en pleine mer ne tourne pas seulement : sa lampe elle-même tantôt faiblit, tantôt s'intensifie. C'est à peu près le comportement des naines blanches magnétiques, ces vestiges ultra-denses d'étoiles semblables à notre Soleil.

Imaginez un faisceau vert qui, traversant un montage optique ingénieux, se tord en un entonnoir de lumière tridimensionnel — un vortex optique. En son cœur, comme dans l'œil d'un cyclone, l'intensité chute à zéro. C'est là que les photons disparaissent.

Depuis que Saul Perlmutter et ses collègues ont découvert l'expansion accélérée de l'univers, les physiciens se creusent la tête sur la nature de l'énergie noire.

Le modèle standard de la cosmologie, qui s'appuie sur les équations d'Einstein proposées par Albert Einstein, décrit l'Univers comme un cocktail de matière noire (découverte grâce à Vera Rubin) et d'énergie noire dans…

Dans l'Univers primordial, de minuscules trous noirs ont pu naître — avec la masse d'une montagne, mais la taille d'un noyau atomique. Aujourd'hui, ils pourraient servir d'usines à matière noire.

Un orchestre parfaitement réglé, où chaque instrument est accordé avec une précision irréprochable, tente de jouer dans une salle bruyante. Ce bruit, c'est la gravité quantique, l'ondulation de l'espace-temps à l'échelle microscopique. Elle ne cesse de menacer de déstabiliser les musiciens.

Un caillou tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface. Mais voilà qu'une des vagues, au lieu de s'éloigner, reste collée à un pli invisible de la surface et ne court que le long de celui-ci.

Une lampe de poche ordinaire éclaire aussi bien vers l'avant que vers l'arrière. Mais dans les cristaux magnétiques naît un axion — une excitation fantomatique, semblable à une vague qui parcourt un stade : les atomes se transmettent une impulsion magnétique.

Les noyaux atomiques ne ressemblent pas toujours à des boules de billard. Certains sont allongés comme des cigares, d'autres aplatis. Pour le xénon-129, la forme évoque une pomme de terre — un ellipsoïde triaxial bosselé.

Dans l'accélérateur SuperKEKB, des électrons entrent en collision avec des positrons — et parmi les débris, on trouve des mésons B. Ces particules lourdes vivent peu de temps et se désintègrent en particules plus légères.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était un chaudron bouillonnant. Mais ensuite, selon cette nouvelle hypothèse, il a brutalement refroidi pendant un court instant — bien plus que ce que l'on pensait auparavant.

Un épais élastique en caoutchouc est tordu de plus en plus fort. À un moment donné, il n'y tient plus — il se rompt et fouette l'air, libérant l'énergie accumulée. C'est à peu près ce qui se passe avec les champs magnétiques à l'intérieur des étoiles à neutrons — ces résidus ultra-denses d'étoiles explosées.

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.

Dans une pièce sombre, une lampe invisible clignote. Sa lumière n'est pas ordinaire : elle n'a pas de luminosité constante, seulement des impulsions rares mais puissantes. C'est un vide comprimé brillant — un état de la lumière sans onde ordinaire, mais avec de fortes fluctuations quantiques.

Après la mort d'une étoile massive, une supernova explose avec une puissance telle qu'un seul éclair brille plus qu'une galaxie entière. Dans ce brasier naissent des milliards d'axions, des particules invisibles qui ne laissent presque aucune trace.

Dans un cristal de titanate de baryum règne un champ électrique interne — comme un aimant permanent, mais pour les charges. Quand une impulsion lumineuse le frappe, elle arrache des électrons qui se mettent à s'agiter, percutant les atomes.

Dans une cuisine, deux faisceaux de lampes de poche se traversent sans se remarquer. La lumière n'interagit presque pas avec la lumière. Mais si l'on accélère des particules à des énergies énormes, deux photons peuvent entrer en collision et donner naissance à quelque chose de nouveau.

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.

Une fine couche d'arséniure d'indium posée sur un substrat isolant se comporte comme un thermos à double paroi : les électrons qu'elle contient ne cèdent presque pas de chaleur au cristal environnant.

Au Grand collisionneur de hadrons, les physiciens accélèrent des protons à une vitesse proche de celle de la lumière et les font entrer en collision.

À l'institut hongrois de recherche nucléaire ATOMKI, des physiciens ont remarqué quelque chose d'étrange : dans les désintégrations de noyaux atomiques excités, il arrive que des paires électron-positon s'échappent selon un angle inhabituel.

La lumière ordinaire est un flux de particules indépendantes : les photons se traversent sans se soucier de leurs voisins. Mais dans les circuits supraconducteurs, refroidis à des températures proches du zéro absolu, la donne change.

Au laboratoire DESY, l'expérience ALPS II a été lancée pour traquer les axions — ces particules fantômes hypothétiques dont pourrait être faite la matière noire. Cette masse invisible agit comme une armature qui empêche les galaxies de se disperser sous l'effet de leur rotation.

Les données du relevé de galaxies DESI suggèrent que l'énergie noire était plus puissante dans le passé qu'aujourd'hui. Un tel comportement « fantôme » menace l'Univers d'un Big Rip – une fin où même les atomes se désintègrent. Mais le modèle KMIX explique cela par une illusion.

À l'intérieur de chaque cellule vivante, des transformations chimiques se déroulent sans interruption. Certaines produisent des particules instables dont les électrons se comportent comme des aimants appariés.

Le radiomètre ARCADE2, embarqué sur un ballon stratosphérique, a détecté un excès de rayonnement radio, tandis que l'expérience au sol EDGES a observé un creux anormalement profond dans le spectre de l'hydrogène à 21 cm.