23 octobre 2013
Les bolomètres d'EDELWEISS traquent aussi les axions !

Les physiciens du SPP ont utilisé les données de l'expérience EDELWEISS-II, initialement conçue pour la recherche de WIMPs, des particules candidates pour la matière noire, afin de tenter de mettre en évidence l'existence des axions. Ces particules hypothétiques peuvent expliquer certaines propriétés de l'interaction forte. Les contraintes obtenues par EDELWEISS excluent une large gamme de modèles d'axions et démontrent les performances des bolomètres pour la recherche d'événements rares.

 

Les axions sont des particules légères, imaginées depuis la fin des années 1970, qui constituent la solution la plus prometteuse au problème de la violation de symétrie dite "CP" (symétrie matière-antimatière) dans les interactions fortes. Des particules de même type sont aussi prédites par les théories des cordes. La recherche de ces particules connaît actuellement un regain d'intérêt car elles pourraient aussi expliquer un certain nombre "d'anomalies" récemment observées en astrophysique, et peut-être constituer par ailleurs la fameuse matière noire de l'Univers. Rappelons en effet que l'essentiel du contenu en matière de l'Univers est sous la forme de cette matière noire, de nature encore inconnue. Un type de particules appelées WIMPs, associées à la physique de l'interaction électrofaible, constitue certes un candidat de choix pour cette matière noire. Après de nombreuses recherches, les WIMPs n'ont pas encore été mises en évidence, ni dans les expériences auprès du LHC, ni dans des expériences dédiées comme EDELWEISS.

 

Les détecteurs de l'expérience EDELWEISS, fruits d'une R&D menée dans les laboratoires de P2IO (IRFU et CSNSM), sont des cristaux ultra-purs de Germanium capables de détecter et d'identifier des interactions de très basse énergie par la mesure combinée du signal d'ionisation et de l'élévation de température du détecteur. Ces bolomètres sont originellement conçus pour la recherche directe des WIMPs du halo de notre galaxie, qui doivent de temps en temps générer un recul de noyau détectable dans le cristal. Les données de l'expérience EDELWEISS-II, prises au Laboratoire Souterrain de Modane en 2010, ont permis d'obtenir des sensibilités remarquables au taux d'interaction des WIMPs, contraignant à la fois les modèles de WIMPs "standards" de masse ~100 GeV [1], et de possibles signaux de WIMPs dits "de basse masse" (~10 GeV) obtenus par d'autres expériences [2].

 

Synthèse des contraintes sur le couplage g_Ae entre les axions et les électrons. Rouge: bornes supérieures sur g_Ae obtenues par EDELWEISS en utilisant trois canaux d'analyse différents. Noir: contraintes directes d'autres expériences. Bleu: contraintes indirectes (astrophysiques). La bande rosée indique les modèles d'axion standards.

Mais les axions peuvent aussi générer des interactions de basse énergie détectables par les bolomètres d'EDELWEISS ! Dans une réanalyse de ces mêmes données, rendue publique sur arXiv [3], l'équipe du SPP a testé divers modèles d'axions et ainsi obtenu des contraintes compétitives sur les couplages entre les axions et les photons, électrons et noyaux. Nous avons en particulier exclu l'ensemble du domaine 0.9 eV < m_a < 80 keV pour la masse de l'axion, soit presque 5 ordres de grandeur en masse (dans le cadre du modèle dit "DFSZ") ! Alors que d'autres contraintes, souvent plus indirectes, défavorisaient déjà cette gamme de masses, notre limite fournit la meilleure contrainte dans certaines configurations. Elle est largement complémentaire d'autres contraintes et repose sur une recherche directe basée sur un unique lot de données.

 

Ce résultat repose sur l'excellente capacité des bolomètres d'EDELWEISS à mesurer des interactions de basse énergie à un taux très bas, et à rejeter efficacement les bruits de fond associés tels que les interactions ayant lieu à la surface des détecteurs. Il fournit un exemple de la polyvalence de ces détecteurs pour mener des recherches dans des domaines variés. Dans le futur, plusieurs expériences et observations sont attendues pour contraindre ou détecter des axions ayant des masses encore plus basse.

 

[1] E. Armengaud et al., Final results of the EDELWEISS-II WIMP search using a 4-kg array of cryogenic germanium detectors with interleaved electrodes, PLB 702 (2011) 329-335

[2] E. Armengaud et al., Search for low-mass WIMPs with EDELWEISS-II heat-and-ionization detectors, PRD 86 (2012) 051701

[3] E. Armengaud et al., Axion searches with the EDELWEISS-II experiment, arxiv:1307.1488,  accepté dans JCAP

 

Maj : 04/11/2013 (3386)

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