Les scientifiques ont enfin trouvé des traces de l'axion, une particule insaisissable qui interagit rarement avec la matière normale. L'axion a été prédit pour la première fois il y a plus de 40 ans, mais n'a jamais été vu jusqu'à présent.
Les scientifiques ont suggéré que la matière noire, la matière invisible qui imprègne notre univers, pourrait être constituée d'axions. Mais plutôt que de trouver un axion de matière noire profondément dans l'espace, les chercheurs ont découvert les signatures mathématiques d'un axion dans un matériau exotique ici sur Terre.
L'axion nouvellement découvert n'est pas tout à fait une particule comme nous le pensons normalement: il agit comme une onde d'électrons dans un matériau surfondu appelé semi-métal. Mais la découverte pourrait être la première étape pour résoudre l'un des problèmes majeurs non résolus en physique des particules.
L'axion est un candidat pour la matière noire, car, tout comme la matière noire, il ne peut pas vraiment interagir avec la matière ordinaire. Cette distance rend également l'axion, s'il existe, extrêmement difficile à détecter. Cette étrange particule pourrait également aider à résoudre une énigme de longue date en physique connue sous le nom de «problème de CP puissant». Pour une raison quelconque, les lois de la physique semblent agir de la même manière sur les particules et leurs partenaires d'antimatière, même lorsque leurs coordonnées spatiales sont inversées.Ce phénomène est connu sous le nom de symétrie de parité de charge, mais la théorie de la physique existante dit qu'il n'y a aucune raison que cette symétrie doive exister. La symétrie inattendue peut s'expliquer par l'existence d'un champ spécial; détecter un axion prouverait que ce champ existe, résolvant ce mystère.
Parce que les scientifiques pensent que la particule fantomatique et neutre interagit à peine avec la matière ordinaire, ils ont supposé qu'il serait difficile à détecter à l'aide de télescopes spatiaux existants. Les chercheurs ont donc décidé d'essayer quelque chose de plus sur Terre, en utilisant un matériau étrange appelé matière condensée.
Des expériences sur la matière condensée comme celle menée par les chercheurs ont été utilisées pour «trouver» des particules prédites insaisissables dans plusieurs cas bien connus, y compris celui du fermion majorana. Les particules ne sont pas détectées au sens habituel, mais se trouvent plutôt sous forme de vibrations collectives dans des matériaux qui se comportent et réagissent exactement comme le feraient les particules.
"Le problème avec l'observation de l'espace est que vous ne pouvez pas très bien contrôler votre environnement expérimental", a déclaré le co-auteur de l'étude, Johannes Gooth, physicien à l'Institut Max Planck pour la physique chimique des solides en Allemagne. "Vous attendez qu'un événement se produise et essayez de le détecter. Je pense que l'une des belles choses de mettre ces concepts de la physique des hautes énergies dans la matière condensée est que vous pouvez réellement faire beaucoup plus."
L'équipe de recherche a travaillé avec un semi-métal Weyl, un matériau spécial et étrange dans lequel les électrons se comportent comme s'ils n'avaient pas de masse, n'interagissent pas entre eux et sont divisés en deux types: droitiers et gauchers. La propriété d'être droitier ou gaucher s'appelle chiralité; la chiralité dans les demi-métaux de Weyl est conservée, ce qui signifie qu'il y a un nombre égal d'électrons droitiers et gauchers. Le refroidissement du semi-métal à 12 degrés Fahrenheit (moins 11 degrés Celsius) a permis aux électrons d'interagir et de se condenser en leur propre cristal.
Les ondes de vibrations traversant les cristaux sont appelées phonons. Étant donné que les lois étranges de la mécanique quantique dictent que les particules peuvent également se comporter comme des ondes, certains phonons ont les mêmes propriétés que les particules quantiques communes, comme les électrons et les photons. Gooth et ses collègues ont observé des phonons dans le cristal électronique qui répondaient aux champs électriques et magnétiques exactement comme le prédisent les axions. Ces quasiparticules n'avaient pas non plus un nombre égal de particules pour droitiers et gauchers. (Les physiciens ont également prédit que les axions briseraient la conservation de la chiralité.)
"Il est encourageant de constater que ces équations sont si naturelles et convaincantes qu'elles sont réalisées dans la nature dans au moins une circonstance", a déclaré le physicien théoricien du MIT et lauréat du prix Nobel Frank Wilczek, qui a initialement nommé l'axion en 1977. "Si nous savons qu'il y en a les matériaux qui hébergent des axions, eh bien, peut-être que le matériau que nous appelons espace abrite également des axions. " Wilczek, qui n'était pas impliqué dans la présente étude, a également suggéré qu'un matériau comme le semi-métal de Weyl pourrait un jour être utilisé comme une sorte d '"antenne" pour détecter des axions fondamentaux, ou des axions qui existent en tant que tels en tant que particules dans l'univers, plutôt que comme des vibrations collectives.
Alors que la recherche de l'axion en tant que particule isolée indépendante se poursuivra, des expériences comme celle-ci aident les expériences de détection plus traditionnelles en fournissant des limites et des estimations des propriétés de la particule, telles que la masse. Cela donne aux autres expérimentateurs une meilleure idée de l'endroit où chercher ces particules. Il démontre également de manière robuste que l'existence de la particule est possible.
"Une théorie est d'abord un concept mathématique", a déclaré Gooth. "Et la beauté de ces expériences de physique de la matière condensée est que nous pouvons montrer que ce genre de mathématiques existe dans la nature."
