Axion - Axion

Axion

Interactions	Gravité , électromagnétique
Statut	Hypothétique
symbole	Un 0
Théorisé	1977, Peccei et Quinn
Masse	10 -5 à 10 -3  eV / c 2
Largeur de pourriture	10 9 à 10 12 GeV /c 2
Charge électrique	0
Tournoyer	0

Le axion ( / æ k s i ɒ n / ) est une hypothétique particule élémentaire postulée par la théorie Peccei-Quinn en 1977 pour résoudre le problème de la forte CP dans la chromodynamique quantique (QCD). Si les axions existent et ont une faible masse dans une plage spécifique, ils présentent un intérêt en tant que composant possible de la matière noire froide .

Histoire

Problème de CP fort

Comme l'a montré Gerard 't Hooft , les interactions fortes du modèle standard, QCD, possèdent une structure de vide non triviale qui permet en principe la violation des symétries combinées de conjugaison de charge et de parité , collectivement connues sous le nom de CP. Ensemble , avec des effets générés par les interactions faibles , le terme CP-fort périodique ne respecte pas efficace, Θ , apparaît comme un modèle standard d' entrée - sa valeur est prédite par la théorie, mais doit être mesurée. Cependant, de grandes interactions violant CP provenant de QCD induiraient un grand moment dipolaire électrique (EDM) pour le neutron . Les contraintes expérimentales sur l'EDM actuellement non observé implique que la violation de CP de QCD doit être extrêmement petite et donc Θ doit lui-même être extrêmement petit. Puisque Θ peut avoir n'importe quelle valeur entre 0 et 2 π , cela pose un problème de « naturalité » pour le modèle standard. Pourquoi ce paramètre se trouverait-il si proche de zéro ? (Ou, pourquoi la CDQ devrait-elle se trouver en train de préserver CP ?) Cette question constitue ce que l'on appelle le problème CP fort .

Prédiction

En 1977, Roberto Peccei et Helen Quinn ont postulé une solution plus élégante au problème CP fort, le mécanisme Peccei-Quinn . L'idée est de promouvoir efficacement Θ dans un domaine. Ceci est accompli en ajoutant une nouvelle symétrie globale (appelée symétrie Peccei-Quinn ) qui se brise spontanément. Il en résulte une nouvelle particule, comme le montre de façon indépendante par Frank Wilczek et Steven Weinberg , qui remplit le rôle de Θ , de détente naturellement le paramètre violation de CP à zéro. Wilczek a nommé cette nouvelle particule hypothétique « axion » d'après une marque de détergent à lessive, car elle « nettoyait » un problème, tandis que Weinberg l'appelait « Higglet ». Weinberg a ensuite accepté d'adopter le nom de Wilczek pour la particule. Parce qu'il a une masse non nulle, l'axion est un boson pseudo-Nambu-Goldstone .

Axion matière noire

Les effets QCD produisent un potentiel périodique effectif dans lequel le champ axionique se déplace. Les oscillations du champ de l'axion autour du minimum du potentiel effectif, ce que l'on appelle le mécanisme de désalignement, génèrent une population cosmologique d'axions froids dont l'abondance dépend de la masse de l'axion. Avec une masse supérieure à 10 ^-11 fois la masse de l' électron , les axions pourraient représenter la matière noire , et donc être à la fois un candidat à la matière noire et une solution au problème CP fort.

Il existe deux scénarios distincts dans lesquels le champ axionique commence son évolution, en fonction des deux conditions suivantes :

(une)	La symétrie PQ se brise spontanément lors du gonflage. Cette condition est réalisée chaque fois que l'échelle d'énergie de l'axion est plus grande que le taux de Hubble à la fin de l'inflation
(b)	La symétrie PQ n'est jamais restaurée après sa rupture spontanée. Cette condition est réalisée chaque fois que l'échelle d'énergie des axions est supérieure à la température maximale atteinte dans l'Univers post-inflationniste.

D'une manière générale, l'un des deux scénarios possibles suivants se produit :

Scénario pré-inflationniste

Si les deux (a) et (b) sont satisfaits, l'inflation cosmique sélectionne une parcelle de l'Univers au sein de laquelle la rupture spontanée de la symétrie PQ conduit à une valeur homogène de la valeur initiale du champ axionique. Dans ce scénario "pré-inflationniste", les défauts topologiques sont gonflés et ne contribuent pas à la densité d'énergie de l'axion. Cependant, d'autres bornes issues des modes d'isocourbure contraignent fortement ce scénario, qui nécessite une échelle d'inflation relativement basse énergie pour être viable.

Scénario post-inflationniste

Si au moins une des conditions (a) ou (b) est violée, le champ axionique prend des valeurs différentes au sein de patchs qui sont initialement hors de contact causal, mais qui peuplent aujourd'hui le volume enfermé par notre horizon de Hubble . Dans ce scénario, les fluctuations d'isocourbure dans le champ PQ randomisent le champ axionique, sans valeur préférée dans le spectre de puissance.

Le traitement approprié dans ce scénario consiste à résoudre numériquement l'équation du mouvement du champ PQ dans un Univers en expansion, afin de capturer toutes les caractéristiques provenant du mécanisme de désalignement, y compris la contribution des défauts topologiques comme les cordes "axioniques" et les parois de domaine . Une estimation de la masse de l'axion entre 0,05 et 1,50 meV a été rapportée par Borsanyi et al. (2016). Le résultat a été calculé en simulant la formation d'axions pendant la période post-gonflage sur un supercalculateur .

Les progrès récents dans la détermination de l'abondance actuelle d'un axion KSV de type Z à l' aide de simulations numériques conduisent à des valeurs comprises entre 0,02 et 0,1 meV, bien que ces résultats aient été contestés par les détails sur le spectre de puissance des axions émis par les cordes.

Phénoménologie du champ axionique

Recherches

Les modèles Axion choisissent soigneusement les forces de couplage qui sont trop faibles pour avoir été détectées dans des expériences antérieures. On pensait que ces " axions invisibles " résolvaient le problème de CP fort tout en étant encore trop petits pour avoir été observés auparavant. La littérature actuelle traite des mécanismes « d'axion invisible » sous deux formes, appelées KSVZ ( Kim – Shifman – Vainshtein – Zakharov ) et DFSZ ( Dine – Fischler – Srednicki – Zhitnitsky ).

L'axion très faiblement couplé est également très léger, car les couplages d'axions et la masse sont proportionnels. La satisfaction à l'égard des « axions invisibles » a changé lorsqu'il a été démontré que tout axion très léger aurait été surproduit dans l'univers primitif et doit donc être exclu.

Équations de Maxwell avec modifications d'axions

Pierre Sikivie a publié en 1983 une modification des équations de Maxwell issues d'un axion léger et stable. Il a montré que ces axions pouvaient être détectés sur Terre en les convertissant en photons, à l'aide d'un champ magnétique puissant, ce qui a conduit à plusieurs expériences : L' ADMX ; Les axions solaires peuvent être convertis en rayons X, comme dans le CERN Axion Solar Telescope (CAST) ; d'autres expériences recherchent la lumière laser pour des signes d'axions.

Il existe une symétrie dans les équations de Maxwell où les champs électriques et magnétiques peuvent être mis en rotation l'un dans l'autre, les nouveaux champs satisfaisant toujours les équations de Maxwell. Luca Visinelli a montré que la symétrie de dualité peut également être appliquée à la théorie électromagnétique augmentée par les axions. En supposant l'existence à la fois de monopôles magnétiques et d'axions, l'ensemble complet des équations de Maxwell se lit comme suit :

Nom	Équations
La loi de Gauss	${\displaystyle \nabla \cdot (\mathbf {E} -\kappa \,\theta \,c\mathbf {B} )={\frac {\rho _{e}}{\varepsilon _{0}}} }$
La loi de Gauss pour le magnétisme	${\displaystyle \nabla \cdot (c\mathbf {B} +\kappa \,\theta \,\mathbf {E} )=c\mu _{0}\rho _{m}}$
La loi de Faraday	${\displaystyle \nabla \times (-\mathbf {E} +\kappa \,\theta \,c\mathbf {B} )=\partial _{ct}(c\mathbf {B} +\kappa \,\ theta \,\mathbf {E} )+\mu _{0}\,\mathbf {J} _{m}}$
Loi Ampère-Maxwell	${\displaystyle \nabla \times (c\mathbf {B} +\kappa \,\theta \,\mathbf {E} )=\partial _{ct}(\mathbf {E} -\kappa \,\theta \ ,c\mathbf {B} )+c\mu _{0}\,\mathbf {J} _{e}}$
Loi d'Axion	${\displaystyle \left(\,\Box +m_{\rm {A}}^{2}\,\right)\,\theta =-\kappa \,\mathbf {E} \cdot \mathbf {B} }$

Si les monopôles magnétiques n'existent pas, alors les mêmes équations sont valables, avec la densité de monopôle et le courant de monopôle remplacés par zéro. Avec ou sans monopôles, l'incorporation de l'axion dans les équations de Maxwell a pour effet de faire tourner les champs électrique et magnétique l'un dans l'autre. ${\displaystyle \rho _{m}}$${\displaystyle \mathbf {J} _{m}}$

où l'angle de mélange dépend de la constante de couplage et de l'intensité du champ axionique${\style d'affichage \xi }$${\style d'affichage \kappa }$${\displaystyle \theta }$

En branchant les nouvelles valeurs du champ électromagnétique et dans les équations de Maxwell, nous obtenons les équations de Maxwell modifiées par les axions ci-dessus. L'incorporation de l'axion dans la théorie électromagnétique donne également une nouvelle équation différentielle - la loi de l'axion - qui est simplement l' équation de Klein-Gordon (l' équation de la théorie quantique des champs pour les particules massives de spin zéro) avec un terme source. ${\displaystyle \mathbf {E'} }$${\displaystyle \mathbf {B'} }$${\displaystyle \mathbf {E} \cdot \mathbf {B} }$

Effet analogue pour les isolants topologiques

Un terme analogue à celui qui serait ajouté aux équations de Maxwell pour rendre compte des axions apparaît également dans les modèles théoriques récents (2008) pour les isolants topologiques donnant une description efficace des axions de l'électrodynamique de ces matériaux.

Ce terme conduit à plusieurs propriétés prédites intéressantes dont un effet magnétoélectrique quantifié . Des preuves de cet effet ont récemment été fournies dans des expériences de spectroscopie THz réalisées à l'Université Johns Hopkins sur des isolants topologiques à couche mince à régime quantique développés à l'Université Rutgers .

En 2019, une équipe du Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids a publié sa détection d' isolateurs d'axions dans un semi-métal de Weyl . Un isolant d'axion est une quasiparticule - une excitation d'électrons qui se comportent ensemble comme un axion - et sa découverte est cohérente avec l'existence de l'axion en tant que particule élémentaire.

Expériences

Bien qu'ils n'aient pas encore été trouvés, les modèles d'axions ont été bien étudiés depuis plus de 40 ans, ce qui laisse le temps aux physiciens de mieux comprendre les effets des axions qui pourraient être détectés. Plusieurs recherches expérimentales d'axions sont actuellement en cours; la plupart exploitent la légère interaction attendue des axions avec les photons dans des champs magnétiques puissants. Les axions sont également l'un des rares candidats plausibles restants pour les particules de matière noire et pourraient être découverts dans certaines expériences sur la matière noire.

Conversion directe dans un champ magnétique

Plusieurs expériences recherchent des axions astrophysiques par l' effet Primakoff , qui convertit les axions en photons et vice versa dans les champs électromagnétiques.

L' expérience Axion sur la matière noire (ADMX) de l' Université de Washington utilise un champ magnétique puissant pour détecter l'éventuelle faible conversion des axions en micro-ondes . ADMX recherche dans le halo de matière noire galactique des axions résonnant avec une cavité micro-onde froide. L'ADMX a exclu les modèles d'axions optimistes dans la plage de 1,9 à 3,53 μeV. De 2013 à 2018, une série de mises à niveau a été effectuée et il prend de nouvelles données, notamment entre 4,9 et 6,2 µeV.

D'autres expériences de ce type incluent HAYSTAC , CULTASK et ORGAN. HAYSTAC a récemment terminé le premier balayage d'un haloscope au-dessus de 20 µeV.

Lumière polarisée dans un champ magnétique

L' expérience italienne PVLAS recherche les changements de polarisation de la lumière se propageant dans un champ magnétique. Le concept a été proposé pour la première fois en 1986 par Luciano Maiani , Roberto Petronzio et Emilio Zavattini . Une demande de rotation en 2006 a été exclue par une configuration améliorée. Une recherche optimisée a débuté en 2014.

La lumière brille à travers les murs

Une autre technique est ce qu'on appelle la "lumière qui brille à travers les murs", où la lumière traverse un champ magnétique intense pour convertir les photons en axions, qui traversent ensuite le métal et sont reconstitués en photons par un autre champ magnétique de l'autre côté de la barrière. Des expériences menées par BFRS et une équipe dirigée par Rizzo ont exclu une cause d'axion. GammeV n'a vu aucun événement, rapporté dans une lettre d'examen de la physique de 2008. ALPS I a réalisé des parcours similaires, fixant de nouvelles contraintes en 2010 ; ALPS II fonctionnera en 2021. OSQAR n'a trouvé aucun signal, limitant le couplage et continuera.

Recherches d'axions astrophysiques

Les bosons de type axion pourraient avoir une signature dans les environnements astrophysiques. En particulier, plusieurs travaux récents ont proposé des particules de type axion comme solution à la transparence apparente de l'Univers aux photons TeV. Il a également été démontré dans quelques travaux récents que, dans les grands champs magnétiques qui traversent l'atmosphère d'objets astrophysiques compacts (par exemple, les magnétars ), les photons se convertiront beaucoup plus efficacement. Cela donnerait à son tour lieu à des caractéristiques distinctes de type absorption dans les spectres détectables par les télescopes actuels. Une nouvelle voie prometteuse est la recherche de la réfraction des quasi-particules dans les systèmes à forts gradients magnétiques. En particulier, la réfraction conduira à une division du faisceau dans les courbes de lumière radio des pulsars hautement magnétisés et permettra des sensibilités beaucoup plus grandes que celles actuellement réalisables. L' Observatoire international de l'Axion (IAXO) est un projet d' hélioscope de quatrième génération .

Les axions peuvent se convertir par résonance en photons dans les magnétosphères des étoiles à neutrons . Les photons émergents se situent dans la gamme de fréquences GHz et peuvent être potentiellement captés par des détecteurs radio, conduisant à une sonde sensible de l'espace des paramètres axioniques. Cette stratégie a été utilisée pour contraindre le couplage axion-photon dans la gamme de masse 5-11 μeV, en ré-analysant les données existantes du télescope Green Bank et du télescope Effelsberg 100 m. Une nouvelle stratégie alternative consiste à détecter le signal transitoire issu de la rencontre entre une étoile à neutrons et un miniamas d'axions dans la Voie lactée .

Des axions peuvent être produits dans le noyau du Soleil lorsque les rayons X se diffusent dans des champs électriques puissants. Le télescope solaire CAST est en cours et a fixé des limites sur le couplage aux photons et aux électrons. Des axions peuvent être produits dans les étoiles à neutrons, par bremsstrahlung nucléon-nucléon . La désintégration subséquente des axions en rayons gamma permet de placer des contraintes sur la masse de l'axion à partir des observations d'étoiles à neutrons en rayons gamma en utilisant le Fermi LAT. A partir d'une analyse de quatre étoiles à neutrons, Berenji et al. (2016) ont obtenu une limite supérieure d' intervalle de confiance à 95 % sur la masse de l'axion de 0,079 eV.

En 2016, une équipe théorique du Massachusetts Institute of Technology a conçu un moyen possible de détecter les axions en utilisant un champ magnétique puissant qui n'a pas besoin d'être plus fort que celui produit dans un appareil d' IRM . Il montrerait une variation, un léger flottement, qui est lié à la masse de l'axion. L'expérience est maintenant mise en œuvre par des expérimentateurs à l'université.

Recherche d'effets de résonance

Les effets de résonance peuvent être évidents dans les jonctions Josephson à partir d'un flux supposé élevé d'axions du halo galactique avec une masse de 110 µeV et une densité0,05 GeV/cm ³ par rapport à la densité de matière noire implicite0,3 ± 0,1 GeV/cm ³ , indiquant que lesdits axions n'auraient pas une masse suffisante pour être le seul composant de la matière noire. L'expérience ORGAN prévoit de tester directement ce résultat via la méthode de l'haloscope.

Recherches de recul de matière noire

Des détecteurs cryogéniques de matière noire ont recherché des reculs d'électrons qui indiqueraient des axions. Le CDMS publié en 2009 et EDELWEISS ont fixé des limites de couplage et de masse en 2013. UORE et XMASS ont également fixé des limites sur les axions solaires en 2013. XENON100 a utilisé une période de 225 jours pour définir les meilleures limites de couplage à ce jour et exclure certains paramètres.

Détections possibles

Il a été rapporté en 2014 que des preuves d'axions peuvent avoir été détectées comme une variation saisonnière de l'émission de rayons X observée qui serait attendue de la conversion dans le champ magnétique terrestre des axions provenant du Soleil. L' étude de 15 ans de données par l' Agence spatiale européenne de XMM-Newton observatoire, un groupe de recherche à l' Université de Leicester a remarqué une variation saisonnière pour laquelle aucune explication conventionnelle n'a pu être trouvée. Une explication potentielle de la variation, décrite comme "plausible" par l'auteur principal de l'article, est la variation saisonnière connue de la visibilité vers XMM-Newton de la magnétosphère solaire dans laquelle les rayons X peuvent être produits par les axions du noyau solaire.

Cette interprétation de la variation saisonnière est contestée par deux chercheurs italiens, qui identifient des failles dans les arguments du groupe de Leicester qui excluraient une interprétation en termes d'axions. Plus important encore, l'angle de diffusion supposé par le groupe de Leicester être causé par les gradients de champ magnétique pendant la production de photons, nécessaire pour permettre aux rayons X d'entrer dans le détecteur qui ne peut pointer directement vers le soleil, dissiperait tellement le flux que la probabilité de détection serait négligeable.

En 2013, Christian Beck a suggéré que les axions pourraient être détectables dans les jonctions Josephson ; et en 2014, il a soutenu qu'une signature, compatible avec une masse ≈110 μeV, avait en fait été observée dans plusieurs expériences préexistantes.

En 2020, l' expérience XENON1T au Laboratoire national du Gran Sasso en Italie a rapporté un résultat suggérant la découverte d'axions solaires. Les résultats ne sont pas encore significatifs au niveau 5 sigma requis pour la confirmation, et d'autres explications des données sont possibles bien que moins probables. D'autres observations sont prévues une fois la mise à niveau de l'observatoire vers XENONnT terminée.

Propriétés

Prédictions

Une théorie des axions pertinente pour la cosmologie avait prédit qu'ils n'auraient aucune charge électrique , une très petite masse comprise entre 1 µeV/c² et 1 eV/c² et des sections efficaces d' interaction très faibles pour les forces fortes et faibles . En raison de leurs propriétés, les axions n'interagiraient que très peu avec la matière ordinaire. Les axions changeraient également vers et depuis les photons dans les champs magnétiques.

Implications cosmologiques

L'inflation suggère que s'ils existent, les axions seraient créés en abondance lors du Big Bang . Du fait d'un couplage unique au champ d' instanton de l' univers primordial (le " mécanisme de désalignement "), un frottement dynamique efficace est créé lors de l'acquisition de masse, suite à l'inflation cosmique . Cela prive tous ces axions primordiaux de leur énergie cinétique.

L'axion ultraléger (ULA) avec m ~ 10 ⁻²² eV est une sorte de matière noire à champ scalaire qui semble résoudre les problèmes à petite échelle du CDM. Un seul ULA avec une constante de décroissance à l'échelle GUT fournit la densité de reliques correcte sans réglage fin.

Les axions auraient également arrêté l'interaction avec la matière normale à un moment différent après le Big Bang que d'autres particules sombres plus massives. Les effets persistants de cette différence pourraient peut-être être calculés et observés astronomiquement.

Si les axions ont une faible masse, empêchant ainsi d'autres modes de désintégration (puisqu'il n'y a pas de particules plus légères dans lesquelles se désintégrer), les théories prédisent que l'univers serait rempli d'un condensat très froid de Bose-Einstein d'axions primordiaux. Par conséquent, les axions pourraient expliquer de manière plausible le problème de la matière noire de la cosmologie physique . Des études observationnelles sont en cours, mais elles ne sont pas encore suffisamment sensibles pour sonder les régions de masse si elles sont la solution au problème de la matière noire, la région floue de la matière noire commençant à être sondée via la superradiance . Les axions de masse élevée du type recherché par Jain et Singh (2007) ne persisteraient pas dans l'univers moderne. De plus, si des axions existent, les diffusions avec d'autres particules dans le bain thermique de l'univers primitif produisent inévitablement une population d'axions chauds.

Les axions de faible masse pourraient avoir une structure supplémentaire à l'échelle galactique. Si elles tombent en continu dans les galaxies du milieu intergalactique, elles seraient plus denses en anneaux « caustiques », tout comme le jet d'eau d'une fontaine à écoulement continu est plus épais à son apogée. Les effets gravitationnels de ces anneaux sur la structure et la rotation galactiques pourraient alors être observables. D'autres candidats théoriques de la matière noire froide, tels que les WIMPs et les MACHOs , pourraient également former de tels anneaux, mais parce que ces candidats sont fermioniques et subissent donc des frottements ou des dispersions entre eux, les anneaux seraient moins définis.

João G. Rosa et Thomas W. Kephart ont suggéré que les nuages ​​d' axions formés autour des trous noirs primordiaux instables pourraient initier une chaîne de réactions qui émettent des ondes électromagnétiques, permettant leur détection. En ajustant la masse des axions pour expliquer la matière noire , le couple a découvert que la valeur expliquerait également la luminosité et la longueur d'onde des sursauts radio rapides , étant une origine possible pour les deux phénomènes.

Supersymétrie

Dans les théories supersymétriques, l'axion a à la fois un superpartenaire scalaire et un superpartenaire fermionique . Le superpartenaire fermionique de l'axion est appelé l' axino , le superpartenaire scalaire est appelé le saxion ou dilaton . Ils sont tous regroupés dans un superchamp chiral .

L' axino a été prédit comme la particule supersymétrique la plus légère dans un tel modèle. En partie à cause de cette propriété, il est considéré comme un candidat pour la matière noire .

Voir également

• Liste des particules hypothétiques
• Particule mince à interaction faible

Notes de bas de page

Les références

Sources

• Peccei, RD ; Quinn, HR (1977). " Conservation de CP en présence de pseudoparticules". Lettres d'examen physique . 38 (25) : 1440-1443. Bibcode : 1977PhRvL..38.1440P . doi : 10.1103/PhysRevLett.38.1440 . S2CID  9518918 .
• Peccei, RD; Quinn, HR (1977). « Contraintes imposées par la conservation CP en présence de pseudoparticules ». Examen physique D . 16 (6) : 1791-1797. Bibcode : 1977PhRvD..16.1791P . doi : 10.1103/PhysRevD.16.1791 .
• Weinberg, Steven (1978). "Un nouveau boson lumineux ?". Lettres d'examen physique . 40 (4) : 223-226. Bibcode : 1978PhRvL..40..223W . doi : 10.1103/PhysRevLett.40.223 . S2CID  610538 .
• Wilczek, Frank (1978). "Problème de forte invariance P et T en présence d'instantons". Lettres d'examen physique . 40 (5) : 279-282. Bibcode : 1978PhRvL..40..279W . doi : 10.1103/PhysRevLett.40.279 .

Liens externes

• Médias liés à Axions sur Wikimedia Commons
• "article" . Physique de l'APS . 24 novembre 2008.
• "article de presse" . Nouveau scientifique . 28 janvier 2007.
• "article de presse" . physorg.com . 6 décembre 2006. Archivé de l'original le 7 décembre 2006.
• "article de presse" . Scientifique américain . 17 juillet 2006.
• "article de presse" . PhysiqueWeb.org . 27 mars 2006.
• "article de presse" . PhysiqueWeb.org . 24 novembre 2004.
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• "ADMX" . Seattle, WA : Université de Washington.
• "Axion dans nLab" .