Matière noire et LHC: de la collision de photons aux axions

Après leur première observation directe de la diffusion élastique de photons en 2017, les collaborations CMS et Atlas du LHC au Cern, auxquelles participe le CEA-Irfu, ont accumulé assez de données sur cet événement très rare pour en extraire des informations sur une particule qui pourrait constituer la matière "noire": l'axion.

À haute énergie, le modèle standard de la physique des particules prévoit que deux photons puissent interagir de manière quantique et produire deux autres photons.

Or lorsque les noyaux atomiques de plomb sont accélérés jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière comme au LHC (Large Hadron Collider), ils produisent un énorme flux de photons équivalent à un champ électrique d'environ 1025 V/m dans leur voisinage immédiat. Si deux de ces noyaux se croisent à environ dix femtomètres (1 fm = 10-15 m) l'un de l'autre, les photons émis par ces noyaux respectifs peuvent interagir deux à deux. La signature expérimentale d'un tel phénomène est alors très simple: les ions de plomb poursuivent leur trajectoire et seuls, deux photons sont détectés, au lieu de gerbes de particules créées en cascades.

Entre 2016 et 2019, les physiciens d'Atlas et CMS ont recensé 97 candidats événements sur plus de cent milliards de croisements d'ions de plomb à 10 fm. Sur ces 97, seulement 27 sont attribués à des bruits de fond. C'est le meilleur résultat produit aujourd'hui.

La qualité des données recueillies permet aux chercheurs d'en extraire des informations sur une particule hypothétique de matière "noire", l'axion, interagissant faiblement avec la matière ordinaire. En effet, la paire de photons en interaction pourrait produire un axion, qui, à son tour, produirait une autre paire de photons. Les scientifiques s'attendent à un excès d'événements pour une énergie de la paire de photons correspondant à la masse de l'axion, si cette particule existe. Leurs résultats expérimentaux permettent de resserrer le domaine - couplage avec les photons et masse - compatible avec l'existence de cet axion.

D'autres expériences, notamment des collisions d'ions oxygène ou argon ou des collisions asymétriques entre un ion lourd et un proton - sont désormais envisagées dans le LHC à haute luminosité pour aller plus loin dans cette exploration.

Références:

Evidence for light-by-light scattering and searches for axion-like particles in ultraperipheral PbPb collisions at √SNN = 5.02 TeV

Measurement of light-by-light scattering and search for axion-like particles with 2.2/nb of Pb+Pb data with the ATLAS detector, ATLAS-CONF-2020-010

Extending the constraint for axion-like particles as resonances at the LHC and laser beam experiments, Phys. Lett. B