L'axion, la particule fantôme qui pourrait percer le secret de la matière noire

La matière noire reste un grand mystère en astrophysique. Pourtant, une particule appelée axion pourrait en être la clé. Des chercheurs ont réussi à recréer un équivalent en laboratoire, ouvrant la voie à sa détection dans l’univers.

Imperceptible, mais essentielle à l’équilibre de l’Univers, la matière noire reste l’un des plus grands mystères de l’astrophysique moderne. De quoi est-elle composée ? Où se cache-t-elle ? Les scientifiques ont encore du mal à se mettre d'accord. Contrairement à la matière ordinaire qui compose tout ce qui nous entoure, la matière noire ne réfléchit ni n’émet de lumière. Sa présence n’est trahie que par les effets gravitationnels qu’elle exerce sur les étoiles, les galaxies et même sur la lumière elle-même.

Les scientifiques pensent toutefois qu’une particule spécifique pourrait constituer l’un des éléments de la matière noire : l’axion. Au cours d’une expérience révolutionnaire, des chercheurs de Harvard et du King’s College ont créé une imitation assez convaincante de cette particule. La pièce manquante du puzzle pourrait bien avoir été trouvée !

Une imitation de l’axion

L’axion est une particule hypothétique, c'est-à-dire que nous ne savons pas vraiment si elle existe. Dans les années soixante-dix, l’axion est théorisé par des scientifiques pour résoudre un problème de symétrie dont souffrait la "théorie des interactions fortes", qui décrit les forces qui maintiennent les quarks ensemble pour former des protons et des neutrons.

Avec leur expérience, les chercheurs ont tenté de créer une quasi-particule d’axion. Cette quasi-particule se comporte de la même façon que l’axion dans un matériau, en d’autres termes, c’est une sorte d'imitation. Une idée qui avait émergé pour la première fois en 2010 mais était restée infructueuse jusqu’à présent. Les scientifiques de Harvard et du King's College, semblent finalement avoir réussi à en créer, en utilisant un matériau composé de fines couches de tellurure de bismuth et de manganèse. Ces substances chimiques, une fois combinées, forment un matériau unique, particulièrement utile pour créer des quasi-particules.

Un matériau aux propriétés uniques pour traquer les axions

Dans ce matériau, les champs électriques et magnétiques sont intrinsèquement liés. La quasi-particule d’axion s’est ainsi formée grâce à cette oscillation entre le magnétisme et l’électricité : un comportement semblable à celui des véritables particules d’axion. Grâce à cette expérience, les scientifiques ont désormais la preuve de l’existence d’une quasi-particule d’axion dans ce matériau. Comme l’explique Interesting Engineering, "les oscillations observées dans cette nouvelle étude fournissent un signal clair et incontestable d’axions".

Le tellurure de bismuth et de manganèse pourrait également être utilisé pour développer un détecteur capable de repérer de vraies particules d’axion dans la nature, si elles existent. En effet, lorsqu’un axion pénètre dans le champ magnétique autour de ce matériau, il pourrait se transformer en photon (une particule de lumière). Ce photon interagirait alors avec la quasi-particule d’axion, ce qui permettrait d’amplifier le signal et de rendre l’axion détectable. Ce matériau ne se contente donc pas de reproduire le comportement de l’axion : il pourrait aussi devenir un outil concret pour le détecter dans la nature.