L’existence des axions, particules hypothétiques postulées de longue date, pourrait résoudre deux problèmes à la fois : en effet, ces particules permettraient d'expliquer les propriétés de symétrie déroutantes de la force forte, mais elles seraient également les constituants de la mystérieuse matière noire présente dans l’ensemble du cosmos. Le détecteur RADES, l’un des derniers-venus dans l’expérience CAST au CERN, a été conçu pour rechercher des axions dans le « halo » de matière noire de la Voie lactée et fixer une limite concernant leur interaction avec les photons. Les résultats sont présentés dans un article soumis pour publication dans le Journal of High Energy Physics.

L’une des méthodes possibles pour identifier des axions dans le halo de matière noire de la Voie lactée est de provoquer leur conversion en photons dans une « cavité résonnante ». Le passage des axions à l'intérieur d'une cavité placée dans un puissant champ magnétique et résonnant à une fréquence qui correspond à leur masse accroît les possibilités de détecter ces particules lorsqu’elles se transforment en photons.

Cette méthode de recherche a déjà été employée dans de nombreuses expériences, au cours desquelles des limites concernant l'interaction des axions avec deux photons avaient été fixées pour des faibles masses d'axions, la plupart du temps en deçà de 25 µeV (à titre de comparaison, la masse d'un proton est de 1 GeV). L'application de cette technique dans la recherche de masses d'axions plus importantes requiert l'utilisation d'une cavité plus petite, qui résonnera à une fréquence plus élevée. Cependant, le volume plus limité réduit la possibilité de détecter les particules.

Une solution à ce problème consiste à subdiviser la cavité en unités plus petites, qui résonneront donc à une fréquence plus élevée sans que le volume total soit diminué. Tel est justement le principe de RADES : installé à l’intérieur de l’un des tubes des aimants dipolaires de CAST depuis 2018, le détecteur peut traquer des axions dont la masse avoisine les 34,67 µeV dans le halo de matière noire de la Voie lactée.

Actuellement, des méthodes complémentaires de recherche d'axions sont à l’étude ; ainsi, de nouvelles configurations pour les cavités pourraient permettre de traquer des axions plus lourds et des limites ont été fixées concernant l’intensité de l’interaction de ceux-ci avec deux photons. Toutefois, la meilleure limite pour un axion possédant une masse de 34,67 µeV a été obtenue au cours des précédentes recherches d'axions en provenance du Soleil de CAST.

Dans son dernier article, l'équipe de CAST présente les résultats de la première recherche d'axions effectuée par RADES. Après avoir passé au peigne fin les données récoltées sur plus d'une centaine d'heures dans une période de 20 jours en 2018, l'équipe n'a repéré aucune trace d'axions. En revanche, les données obtenues ont permis de fixer une limite concernant la force de l'interaction des axions avec deux photons pour une masse d'axions égalant ou avoisinant les 34,67 µeV. Cette limite est au moins cent fois plus restrictive que la meilleure limite précédemment fixée par CAST pour cette masse.

« Ce résultat constitue une première étape importante pour la recherche directe d'axions au moyen d'aimants dipolaires, a déclaré Sergio Arguedas Cuendis, de l’équipe scientifique de RADES. Et en ce qui concerne la recherche d'axions, il s'agit de l'une des limites les plus restrictives jamais fixées pour des axions de masse supérieure à 25 µeV. »