LANL : Concevoir les bons outils pour rechercher les particules d'axion

À l’intérieur du détecteur CCM200 nouvellement construit, montrant les 200 capteurs de lumière à tube photomultiplicateur (cercles) et les parois intérieures recouvertes d’un matériau spécial pour convertir la lumière à scintillation argon en lumière visible qui peut être détectée par les tubes photomultiplicateurs puis enregistrée par le système d’acquisition de données. Une région de veto externe rejette les événements venant de l’extérieur tels que les rayons cosmiques. Image reproduite avec l’aimable autorisation de LANL

Depuis que les axions ont été prédits pour la première fois par la théorie il y a près d’un demi-siècle, les chercheurs ont cherché la preuve de la particule insaisissable, qui peut exister en dehors de l’univers visible, dans le secteur sombre. Mais comment trouve-t-on des particules qui ne peuvent pas être vues? Les premiers résultats physiques de l’expérience cohérente CAPTAIN-Mills à Los Alamos – qui vient d’être décrite dans une publication dans la revue Physical Review D – suggèrent que l’expérimentation à base d’accélérateurs à argon liquide, conçue initialement pour rechercher des particules hypothétiques similaires telles que les neutrinos stériles, peut également être une configuration idéale pour rechercher des axions furtifs.

« La confirmation des particules du secteur sombre aurait un impact profond sur la compréhension du Modèle standard de la physique des particules, ainsi que sur l’origine et l’évolution de l’univers », a déclaré le physicien Richard Van de Water. « L’un des principaux objectifs de la communauté de la physique est d’explorer les moyens de détecter et de confirmer ces particules. L’expérience cohérente CAPTAIN-Mills associe les prédictions existantes de particules de matière noire telles que les axions à des accélérateurs de particules de haute intensité capables de produire cette matière noire difficile à trouver.

La théorie de la physique suggère que seulement 5% de l’univers est constitué de matière visible – des atomes qui forment des choses que nous pouvons voir, toucher et sentir – et que les 95% restants sont la combinaison de matière et d’énergie connue sous le nom de secteur sombre. Les axions, les neutrinos stériles et d’autres peuvent expliquer et expliquer tout ou partie de cette densité d’énergie manquante.

L’existence d’axions pourrait également résoudre un problème de longue date dans le Modèle standard, qui décrit le comportement connu du monde subatomique. Parfois appelés « fossiles » de l’univers, supposés provenir juste une seconde après le Big Bang, les axions pourraient également nous en dire beaucoup sur les moments fondateurs de l’univers.

L’expérience CAPTAIN-Mills cohérente était l’un des nombreux projets à recevoir un financement du ministère de l’Énergie pour la recherche sur le secteur noir en 2019, ainsi qu’un financement substantiel du programme de recherche et développement dirigé en laboratoire à Los Alamos. Un prototype de détecteur baptisé CCM120 a été construit et utilisé pendant le cycle de faisceau 2019 du Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE). La publication Physical Review D décrit les résultats de l’essai technique initial du CCM120.

« Sur la base de la première série de recherches CAPTAIN-Mills, l’expérience a démontré la capacité d’exécuter la recherche d’axions », a déclaré Bill Louis, également physicien sur le projet à Los Alamos. « Nous réalisons que le régime énergétique fourni par le faisceau de protons de LANSCE et la conception du détecteur d’argon liquide offrent un paradigme inexploré pour la recherche sur les particules de type axion.

Des travailleurs abaissent le détecteur interne CCM200 dans le cryostat en juillet 2021. À l’intérieur du récipient d’argon liquide de 10 tonnes, les photomultiplicateurs capturent la lumière qui indique la présence potentielle de matière noire et de neutrinos dans le détecteur CCM, qui sont produits par des protons LANSCE de 800 mégaélectron-volts frappant la cible de tungstène au Lujan Center. Photo avec l’aimable autorisation de LANL

Stationnée dans le Lujan Center adjacent au LANSCE, l’expérience Coherent CAPTAIN-Mills est un détecteur d’argon liquide en surfusion de 10 tonnes. (CAPTAIN signifie Cryogenic Apparatus for Precision Tests of Argon Reactions with Neutrinos.)

Des protons de haute intensité de 800 mégaélectronvolts générés par l’accélérateur LANSCE ont frappé une cible en tungstène dans le centre Lujan, puis ont parcouru 23 mètres à travers un blindage étendu en acier et en béton jusqu’au détecteur pour interagir dans l’argon liquide.

Les parois intérieures du prototype de détecteur sont bordées de tubes photomultiplicateurs sensibles de 120 pouces de huit pouces (d’où le surnom CCM120) qui détectent les éclairs lumineux – photons uniques – qui se produisent lorsqu’une particule du secteur régulier ou sombre bouscule un atome dans le réservoir d’argon liquide. Un revêtement de matériau spécial sur les parois intérieures convertit l’émission de lumière argon en lumière visible qui peut être détectée par les tubes photomultiplicateurs. La synchronisation rapide du détecteur et du faisceau aide à éliminer les effets des particules de fond telles que les neutrons de faisceau, les rayons cosmiques et les rayons gamma des désintégrations radioactives.

Les axions sont d’un grand intérêt parce qu’ils sont « très motivés » ; c’est-à-dire que leur existence est fortement impliquée dans des théories au-delà du Modèle standard. Développé sur plus de 70 ans, le Modèle standard explique trois des quatre forces fondamentales connues – l’électromagnétisme, la force nucléaire faible et la force nucléaire forte – qui régissent le comportement des atomes, les éléments constitutifs de la matière. (La quatrième force, la gravité, est expliquée par la relativité einsteinienne.) Mais le modèle n’est pas nécessairement complet.

Un problème non résolu en physique du Modèle standard est connu sous le nom de « problème CP fort », « CP » signifiant symétrie charge-parité. Essentiellement, les particules et leurs homologues antiparticules sont traitées de la même manière par les lois de la physique. Rien dans la physique du Modèle standard n’impose ce comportement, cependant, de sorte que les physiciens devraient voir au moins des violations occasionnelles de cette symétrie.

Dans les interactions de force faible, des violations de symétrie de parité de charge se produisent. Mais aucune violation similaire n’a été observée dans les interactions avec force forte. Cette absence déroutante de comportement théoriquement possible représente un problème pour la théorie du Modèle standard. Qu’est-ce qui empêche les violations de la symétrie charge-parité de se produire dans les interactions de force forte?

Abondants, presque en apesanteur et électriquement neutres, les axions peuvent être une partie importante du puzzle. L’axion a gagné son surnom en 1978, ainsi inventé par le physicien Frank Wilczek après une marque de détergent à lessive parce qu’une telle particule pourrait « nettoyer » le problème de la forte CP. Les physiciens spéculent qu’ils sont des composants d’une force de matière noire qui préserve la symétrie de parité de charge, et qu’ils peuvent coupler ou interagir avec des photons et des électrons.

Si des axions existent, les trouver pourrait être une question de concevoir le bon dispositif expérimental.

« Grâce à ce premier essai avec notre détecteur CCM120, nous avons une bien meilleure compréhension des signatures liées aux particules de type axion couplées aux photons et aux électrons lorsqu’elles se déplacent dans l’argon liquide », a déclaré Louis. « Ces données nous donnent les idées nécessaires pour améliorer le détecteur afin qu’il soit plus sensible d’un ordre de grandeur. »

En 2020-2021, avec un financement supplémentaire du DOE et du laboratoire, le nouveau détecteur CCM200 amélioré a été construit et dispose de 200 photomultiplicateurs pointant vers l’intérieur, de feuilles de surface tétraphénylbutadiène, de photomultiplicateurs à double veto et d’une filtration liquide-argon. S’appuyant sur les résultats du prototype CCM120, le nouveau détecteur a entamé une période de physique de trois ans qui devrait donner d’autres résultats significatifs sur les recherches de matière noire et d’axions et les tests des anomalies de base courtes découvertes lors des précédentes expériences MiniBooNE à scintillateur liquide dirigée par Los Alamos et MiniBooNE basées sur Fermilab.

Papier: « Perspectives de détection de particules ressemblant à des axions à l’expérience cohérente CAPTAIN-Mills. » Physical Review D. DOI: 10.1103/PhysRevD.107.095036

Financement: Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du ministère de l’Énergie, la National Science Foundation, le programme de recherche et développement dirigé en laboratoire du Laboratoire national de Los Alamos, le Bureau des laboratoires nationaux de l’Université A&M du Texas et l’Université nationale autonome du Mexique.

Voir tous les articles de Los Alamos Reporter