À la poursuite des axions solaires : BabyIAXO prend forme

BabyIAXO marque la première étape vers l’ambitieux IAXO (International Axion Observatory)[1], qui vise à détecter les axions en provenance du cœur du Soleil. Les axions sont des particules hypothétiques, neutres et extrêmement légères, proposées dans les années 1970 pour résoudre un problème fondamental lié à l’interaction forte dans le Modèle Standard de la physique des particules. Leur interaction extrêmement faible avec la matière en fait également de bons candidats pour expliquer la matière noire. Les détecteurs représentent un véritable défi : cela nécessite des détecteurs de très haute sensibilité, capables d’identifier un éventuel signal d’axion au milieu d’un bruit de fond important, produit par les rayons cosmiques et la radioactivité naturelle. Un détecteur Micromegas, spécialement conçu pour BabyIAXO, a été récemment installé sur le site de DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron : synchrotron à électrons allemand) à Hambourg pour des premiers tests qui confirment les excellentes performances du système de détection tout en validant l’efficacité du blindage. Il constitue l’un des premiers éléments concrets de l’expérience BabyIAXO.

L’équipe BabyIAXO de l’Irfu entourés des collaborateurs de l’Université de Zaragoza (Espagne) et de DESY (Allemagne) (crédit CEA-Irfu)

Une particule hypothétique pour expliquer la matière noire

Les axions sont des particules hypothétiques introduites dans les années 1970 pour résoudre une incohérence théorique du Modèle Standard de la physique des particules, liée à l’asymétrie entre matière et antimatière. Ces particules très légères, neutres et interagissant très peu avec la matière, constituent également un candidat sérieux pour la matière noire qui compose une grande partie de l’Univers. Les contraintes théoriques et astrophysiques estiment leur masse entre quelques µeV/c² et quelques eV/c².

L’expérience IAXO, hélioscope de quatrième génération, repose sur une idée simple mais ambitieuse : utiliser le Soleil comme source d’axions. Ces particules, si elles existent, pourraient être converties en photons X lorsqu’elles traversent un champ magnétique intense, un processus rare mais détectable. L’infrastructure prévue pour IAXO inclura un aimant toroïdal de 20 mètres accompagné de huit lignes de visée équipées de télescopes à rayons X et de détecteurs à très faible bruit de fond (électronique et/ou radiatif).

L’expérience BabyIAXO : la plateforme (en rouge) qui permet d’orienter l’aimant (en jaune) est visible ainsi que les deux lignes de détection composées chacune d’un télescope à rayons X, un détecteur Micromegas entouré d’un blindage en plomb et un veto à muons (entouré en rouge).

BabyIAXO : un démonstrateur à échelle réduite déjà en construction

En attendant la construction de IAXO, une première version à échelle réduite, appelée BabyIAXO [2], est en cours de mise en place à DESY (Hambourg). Son objectif est de valider les choix technologiques du projet final.

Le dispositif repose sur un aimant dipôle de 10 mètres de long, capable de générer un champ magnétique de 2,5 T. Installé sur une plateforme orientable (Figure 1), il permet de suivre le Soleil pendant environ 8 heures par jour. Dans ce champ magnétique intense, les axions solaires pourraient se convertir en photons X d’environ 4 keV, lesquels seraient ensuite détectés par deux détecteurs de rayons X de haute sensibilité, placés à chaque extrémité des tubes à vide.

Les détecteurs utilisés sont des Micromegas [3], spécialement optimisés pour la recherche d’axions dans le cadre de l’expérience CAST [4–7] au CERN. Leur conception s’appuie notamment sur la technologie Microbulk [8], fabriquée à partir de cuivre et de kapton, deux matériaux réputés pour leur excellente radiopureté. Cette approche est complétée par une optimisation poussée des blindages passifs et actifs, ainsi que par des techniques avancées d’analyse permettant une discrimination topologique efficace du signal. L’analyse topologique consiste à comparer la “forme” des événements dans le détecteur pour distinguer ceux qui ressemblent au signal recherché de ceux qui proviennent du bruit de fond. Un événement de signal attendu (un photon issu d’un axion converti) produit une trace simple, localisée : une petite tache ou un cluster compact dans le plan de lecture tandis qu’un événement de bruit de fond (radioactivité naturelle, muons cosmiques, interactions multiples, etc.) laisse en général une signature différente : trace allongée, multiples dépôts d’énergie, topologie plus complexe.

Vue du détecteur installé sur le rail de guidage, permettant son insertion dans le blindage en plomb. Ce blindage est entièrement entouré d’un veto à muons constitué de scintillateurs (partie entourée en rouge dans la figure 1)

Des détecteurs Micromegas de nouvelle génération pour BabyIAXO

Un nouveau détecteur Micromegas a été développé pour BabyIAXO, avec une radiopureté accrue (Figure 2). Plusieurs prototypes ont été construits et testés à l’aide de différents blindages. Les blindages servent à bloquer ou atténuer les particules et rayonnements indésirables venant de l’environnement et créant le bruit de fond mentionné précédemment.
Un blindage en plomb monobloc de 20 cm d’épaisseur, fabriqué à partir de plomb faiblement radioactif (~5 Bq/kg), a été conçu et construit sur mesure à l’Irfu. Un prototype testé dans ce blindage a atteint un bruit de fond de 2,6×10^-6 ± 2,6×10^-7 c/keV/cm²/s après coupures de sélection. Ce résultat illustre les performances remarquables du dispositif : un détecteur à la fois extrêmement « sensible » et « silencieux », qui ne laisse subsister qu’environ huit événements en un mois de données après sélection.

Pour rejeter les muons cosmiques, un système de veto 4π a été développé, composé de scintillateurs couplés à des photomultiplicateurs (figure 3). L’ensemble du dispositif a été transporté à DESY en juin 2025, puis installé dans le hall HERA North, ancien site de l’expérience H1, situé à environ six étages sous terre.

Plan d’amplification et de lecture du détecteur Micromegas IAXO-D1, réalisé sur un support en Kapton et collé sur une plaque de cuivre. La microgrille en cuivre (le carré central) constitue la zone d’amplification. Le plan de lecture est composé de 240 pistes croisant les axes X et Y, espacées de 500?µm, sur une surface totale de 6?×?6?cm².

Les premières mesures de bruit de fond effectuées en dehors du blindage sur place révèlent un niveau encore plus faible que celui observé à Saclay (figure 5 droite points bleus). Cette amélioration s’explique principalement par la profondeur d’installation du détecteur, qui permet une atténuation significative du flux de rayons cosmiques. Les résultats avec le détecteur inséré dans le blindage sont compatibles. Ces résultats confirment les excellentes performances du système de détection et valident l’efficacité du blindage. La prochaine étape sera d’intégrer pleinement le veto à muons pour une détection encore plus sensible.

En attendant la construction de l’aimant, les différents sous-systèmes de BabyIAXO — tubes à vide, télescopes à rayons X, détecteurs — continuent d’être développés. Un test complet de lignes de détection de l’instrument est prévu d’ici trois ans, marquant une étape essentielle vers la réalisation de BabyIAXO et IAXO.

Spectres en énergie des événements de bruit de fond enregistrés à Saclay (gauche) et à DESY (droite), pour deux configurations expérimentales distinctes : détecteur placé hors blindage (points bleus) et détecteur inséré dans le blindage en plomb (points rouges). Cette comparaison illustre l’efficacité du blindage dans la réduction du bruit de fond ainsi que l’influence du site d’installation sur les conditions expérimentales. À DESY, le détecteur bénéficie d’un emplacement trois étages sous terre, ce qui explique le niveau plus faible du spectre mesuré hors blindage. En revanche, les spectres obtenus à l’intérieur du blindage à Saclay et à DESY sont compatibles.

Contact : Esther Ferrer-Ribbas

Références

[1] IAXO Collaboration, Physics potential of the International Axion Observatory (IAXO), JCAP 1906 (2019) no.06, 047

[2] BabyIAXO Collaboration, Conceptual Design of BabyIAXO, the intermediate stage towards the International Axion Observatory, Journal of High Energy Physics, volume 2021, Article number: 137 (2021)

[3] D. Attié et al., Current Status and Future Developments of Micromegas Detectors for Physics and Applications Appl.Sciences 11 (2021) 12, 5362

[4] CAST Collaboration et al, Nature Phys. 13 (2017) 584-590

[5] CAST Collaboration New Upper Limit on the Axion-Photon Coupling with an Extended CAST Run with a Xe-Based Micromegas Detector, Phys.Rev.Lett. 133 (2024) 22, 221005 e-Print: 2406.16840 [hep-ex]

[6] FM CAST 2017: https://irfu-i.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=4027

[7] FM CAST 2009: https://irfu-i.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=2580

[8] S. Andriamonje et al. Development and performance of Microbulk Micromegas detectors, JINST 5 (2010) P0200

Références