Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

L'expérience CAST

Les axions sont des particules dont l’existence a été postulée dans les années 70 pour résoudre un problème fondamental dans le Modèle Standard de la physique des particules concernant l’asymétrie entre la matière et l’antimatière. Ces particules, neutres, de très faible masse, sont un candidat pour expliquer la matière noire dans l’univers. Les modèles théoriques et les observations astrophysiques contraignent la masse des axions à un intervalle compris entre quelques µeV/c² et quelques eV/c².

L’idée clef de l’expérience CAST est d’utiliser le soleil comme source d’axions. Pour pouvoir détecter ces axions issus du soleil, des aimants très puissants sont nécessaires : en effet, les axions peuvent être convertis en photons, mais cette conversion nécessite des champs magnétiques très intenses. Pour cela, l’expérience CAST utilise le champ magnétique intense (9 T) produit par le prototype d’un aimant LHC pour convertir les axions solaires en photons. L’aimant est monté sur un rail, montré en figure 1, afin d’observer le soleil à son lever et à son coucher, d’où l’appellation « d’hélioscope à axions ». Un signal d’axions doit se manifester lors de l’observation du soleil par un excès de photons X avec une énergie moyenne de 4 keV. Des détecteurs sensibles aux rayons X ont été  installés à chaque extrémité des tubes à vide de l’aimant. Pour observer le signal, noyé dans le bruit de fond du rayonnement cosmique et de la radioactivité naturelle, les détecteurs doivent être conçus avec des matériaux à faible radioactivité et doivent être capables d’avoir une bonne rejection du bruit de fond et faire ressortir les événements issus de la conversion d’axion : en effet, on s’attend à seulement un événement toutes les 30 heures !

Les résultats:

Les résultats de l’article qui vient d’être publié dans Nature Physics concernent l’analyse des données enregistrées entre 2014 et 2015 avec trois systèmes de détection de type Micromegas conçus et développés par l’Irfu et l’Université de Zaragoza. Deux détecteurs Micromegas étaient couplés directement à l’aimant et le troisième détecteur était situé dans le plan focal d’une optique de focalisation optimisée pour CAST développée par Lawrence Livermore National Laboratory. Les détecteurs étaient des petites chambres à projection temporelle avec un plan de lecture de type microbulk [1], technologie très radiopure développée par les équipes de l’Irfu équipés par une électronique et un système d’acquisition également développés à l’Irfu [2,3]. Les matériaux des détecteurs ont été soigneusement choisis pour minimiser leur radioactivité et étaient entourés d’un blindage passif (cuivre et plomb) ainsi que d’un blindage actif (scintillateurs plastiques). Ces efforts ont abouti aux niveaux du bruit de fond le plus bas jamais obtenu dans l’expérience CAST[4].

CAST n’a pas trouvé d’évidence d’axion solaires. Mais  l’absence de signal a pu être traduite par une limite sur la constante de couplage, qui est montrée en figure 2. Cette limite représente la meilleure limite actuelle pour la constante de couplage entre les axions et les photons dans un large intervalle de masse.  L’amélioration en sensibilité d’environ un facteur 3 par rapport aux premiers résultats de CAST  précédents est due à l’amélioration du bruit de fonds de détecteurs ainsi qu’au développement d’une optique de focalisation optimisée pour la recherche d’axions.

Cette limite concerne une partie de l’espace de paramètres d’axions qui est privilégiée par les modèles théoriques et qui est très difficilement atteignable par les expériences. Cette zone est intéressante car elle pourrait pointer vers une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard. Pour la première fois, CAST atteint des sensibilités similaires à celles obtenues par les observations astrophysiques.

La figure ci-contre montre les limites sur la constante de couplage axion-photon en fonction de la masse de l'axion. La bande jaune montre la région favorisée par les modèles d’axions.  La ligne bleue montre la limite CAST dépassant la limite obtenue par les contraintes stellaires et astrophysiques (lignes pointillées « Sun » et « HB » pour Horizontal Branch stars).  Les régions exclues par les expériences dites de laboratoire (PVLAS, OSQAR) ont également montrées ainsi que les limites obtenues par les expériences avec des détecteurs pour la matière noire (DAMA) et le Helioscope SUMICO.  A faible masse, 10-6-10-5 eV, ce sont les haloscopes (expériences qui cherchent des axions venant du halo) qui sont les plus sensibles.