Trouver l'axion hypothétique des particules pourrait signifier découvrir pour la première fois ce qui s'est passé dans l'Univers une seconde après le Big Bang, suggère une nouvelle étude publiée dans Examen physique D.
Jusqu'où pouvons-nous remonter dans le passé de l'Univers aujourd'hui ? Dans le spectre électromagnétique, les observations du fond diffus cosmologique — communément appelé CMB — nous permettent de remonter à près de 14 milliards d'années jusqu'au moment où l'Univers s'est suffisamment refroidi pour que les protons et les électrons se combinent et forment de l'hydrogène neutre. Le CMB nous a beaucoup appris sur l'évolution du cosmos, mais les photons du CMB ont été libérés 400,000 XNUMX ans après le Big Bang, ce qui rend extrêmement difficile l'apprentissage de l'histoire de l'univers avant cette époque.
Pour ouvrir une nouvelle fenêtre, un trio de chercheurs théoriques, dont le chercheur principal du Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), University of California, Berkeley, MacAdams Professor of Physics et Lawrence Berkeley National Laboratory chercheur principal Hitoshi Murayama , Lawrence Berkeley National Laboratory chercheur en physique et University of California, Berkeley, le boursier postdoctoral Jeff Dror (maintenant à l'Université de Californie, Santa Cruz) et le chercheur UC Berkeley Miller Nicholas Rodd, ont regardé au-delà des photons et dans le domaine des particules hypothétiques connues comme des axions, qui ont pu être émis dans la première seconde de l'histoire de l'Univers.
Dans leur article, ils suggèrent la possibilité de rechercher un analogue d'axion du CMB, ce qu'on appelle un arrière-plan d'axion cosmique ou CaB.
Bien qu'hypothétique, il existe de nombreuses raisons de soupçonner que l'axion pourrait exister dans notre Univers.
D'une part, les axions sont une prédiction générique de la théorie des cordes, l'un des meilleurs espoirs d'aujourd'hui pour une théorie de la gravité quantique. L'existence d'un axion pourrait en outre aider à résoudre le casse-tête de longue date de la raison pour laquelle nous n'avons pas encore mesuré de moment dipolaire électrique pour le neutron, un problème plus officiellement connu sous le nom de « problème de CP fort ». Plus récemment, l'axion est devenu un candidat prometteur pour la matière noire et, par conséquent, les chercheurs recherchent rapidement la matière noire de l'axion.
Dans leur article, les chercheurs soulignent qu'au fur et à mesure que les expérimentateurs développent des instruments plus sensibles pour recherche pour la matière noire, ils peuvent tomber sur un autre signe d'axions sous la forme du CaB. Mais comme le CaB partage des propriétés similaires avec les axions de la matière noire, il y a un risque que les expériences rejettent le signal CaB sous forme de bruit.
Trouver le CaB sur l'un de ces instruments serait une double découverte. Non seulement cela confirmerait l'existence de l'axion, mais les chercheurs du monde entier auraient immédiatement un nouveau fossile du premier Univers. Selon la façon dont le CaB a été produit, les chercheurs pourraient en apprendre davantage sur divers aspects de l'évolution de l'Univers jamais possibles auparavant (Figure).
"Ce que nous avons proposé, c'est qu'en modifiant la façon dont les expériences actuelles analysent les données, nous pourrons peut-être rechercher les axions restants de l'univers primitif. Ensuite, nous pourrons peut-être en apprendre davantage sur l'origine de la matière noire, la transition de phase ou l'inflation au début de l'Univers. Il existe déjà des groupes expérimentaux qui ont manifesté leur intérêt pour notre proposition, et j'espère que nous pourrons découvrir quelque chose de nouveau sur l'Univers primitif qui n'était pas connu auparavant », déclare Murayama.
« L'évolution de l'univers peut produire des axions avec une distribution d'énergie caractéristique. En détectant la densité d'énergie de l'univers actuellement composé d'axions, des expériences telles que MADMAX, HAYSTAC, ADMX et DMRadio pourraient nous donner des réponses à certaines des énigmes les plus importantes de la cosmologie, telles que « À quel point notre univers est-il devenu chaud ? ', 'Quelle est la nature de la matière noire ?', 'Notre univers a-t-il subi une période d'expansion rapide connue sous le nom d'inflation ?', et 'Y a-t-il déjà eu une transition de phase cosmique ?' », explique Dror.
La nouvelle étude donne des raisons d'être enthousiasmés par le programme axion sur la matière noire. Même si la matière noire n'est pas constituée d'axions, ces instruments peuvent fournir une image de l'Univers quand il avait moins d'une seconde.
Cette étude a été acceptée comme « suggestion des éditeurs » dans la revue Examen physique D.
Référence : « Cosmic axion background » par Jeff A. Dror, Hitoshi Murayama et Nicholas L. Rodd, 7 juin 2021, Examen physique D.
DOI : 10.1103/PhysRevD.103.115004
