Les traces d’une mystérieuse particule annoncée il y a plusieurs décennies ont peut-être été détectées

La preuve d’une hypothétique particule longtemps recherchée aurait pu être cachée à la vue de tous (rayons X) pendant tout ce temps.

L’émission de rayons X provenant d’une collection d’étoiles à neutrons connue sous le nom de Sept Mercenaires est si excessive qu’elle pourrait provenir d’axions, un type de particule depuis longtemps prédit, forgé dans les noyaux denses de ces objets morts, ont démontré les scientifiques.

Si leurs découvertes sont confirmées, cette découverte pourrait aider à élucider certains des mystères de l’Univers physique – y compris la nature de la mystérieuse matière noire qui le compose.

« Trouver des axions a été l’un des efforts majeurs de la physique des particules de haute énergie, tant en théorie qu’en expérimentation », a déclaré l’astronome Raymond Co de l’université du Minnesota.

« Nous pensons que les axions pourraient exister, mais nous ne les avons pas encore découvertes. On peut considérer les axions comme des particules fantômes. Elles peuvent être n’importe où dans l’Univers, mais elles n’interagissent pas fortement avec nous, donc nous n’avons pas encore d’observations sur elles. »

Les axions sont des particules hypothétiques de très faible masse, dont la théorie a été élaborée pour la première fois dans les années 1970 afin de résoudre la question de savoir pourquoi de fortes forces atomiques suivent ce que l’on appelle la symétrie de charge-parité, alors que la plupart des modèles affirment qu’elles n’en ont pas besoin.

Les réflexions sont prédites par de nombreux modèles de la théorie des cordes – une solution proposée à la tension entre la relativité générale et la mécanique quantique – et les réflexions d’une masse spécifique sont également un candidat important pour la matière noire. Les scientifiques ont donc de très bonnes raisons de les rechercher.

Si elles existent, les axions devraient être produites à l’intérieur des étoiles. Ces axions stellaires ne sont pas les mêmes que les axions de la matière noire, mais leur existence impliquerait l’existence d’autres types d’axions.

Une façon de rechercher les axions est de chercher l’excès de rayonnement. On s’attend à ce que les axions se désintègrent en paires de photons en présence d’un champ magnétique. Ainsi, si l’on détecte plus de rayonnement électromagnétique qu’il ne devrait y en avoir dans une région où cette désintégration devrait avoir lieu, cela pourrait constituer une preuve d’axions.

Dans ce cas, l’excès de rayonnement X dur est exactement ce que les astronomes ont trouvé en regardant les Sept Mercenaires.

Ces étoiles à neutrons – les noyaux effondrés d’étoiles massives mortes dans une supernova – ne sont pas regroupées, mais partagent un certain nombre de traits communs. Ce sont toutes des étoiles à neutrons isolées, datant d’environ le milieu de l’âge, soit quelques centaines de milliers d’années depuis la mort stellaire.

Elles se refroidissent toutes en émettant des rayons X (doux) de faible énergie. Elles ont toutes des champs magnétiques puissants, des billions de fois plus puissants que ceux de la Terre, assez puissants pour déclencher la décroissance d’axion. Et ils sont tous relativement proches, à moins de 1 500 années-lumière de la Terre.

Cela en fait un excellent laboratoire pour la recherche d’axions, et lorsqu’une équipe de chercheurs – dirigée par l’auteur et physicien principal Benjamin Safdi du Lawrence Berkeley National Laboratory – a étudié les Sept Magnifiques avec plusieurs télescopes, ils ont identifié une émission de rayons X de haute énergie (durs) inattendue pour les étoiles à neutrons de ce type.

Dans l’espace, cependant, de nombreux processus peuvent produire des radiations, c’est pourquoi l’équipe a dû examiner attentivement d’autres sources potentielles d’émission. Les pulsars, par exemple, émettent des rayons X durs ; mais les autres types de rayonnements émis par les pulsars, comme les ondes radio, ne sont pas présents dans les sept magnifiques.

Une autre possibilité est que des sources non résolues à proximité des étoiles à neutrons pourraient produire l’émission de rayons X durs. Mais les ensembles de données utilisés par l’équipe, provenant de deux observatoires spatiaux à rayons X différents – XMM-Newton et Chandra – indiquent que l’émission provient des étoiles à neutrons. L’équipe a également découvert que le signal ne résultait probablement pas non plus d’un empilement d’émissions de rayons X mous.

« Nous sommes assez confiants que cet excès existe, et très confiants qu’il y a quelque chose de nouveau parmi cet excès », a déclaré M. Safdi. « Si nous étions sûrs à 100 % que ce que nous voyons est une nouvelle particule, ce serait énorme. Ce serait révolutionnaire pour la physique. »

Cela ne veut pas dire que l’excès est une nouvelle particule. Il pourrait s’agir d’un processus astrophysique jusqu’alors inconnu. Ou il peut s’agir d’un objet aussi simple qu’un artefact provenant des télescopes ou du traitement des données.

« Nous ne prétendons pas avoir encore découvert l’axion, mais nous disons que les photons supplémentaires des rayons X peuvent être expliqués par les axions », a déclaré Co. « C’est une découverte passionnante de l’excès de photons des rayons X, et c’est une possibilité passionnante qui correspond déjà à notre interprétation des axions. »

La prochaine étape sera d’essayer de vérifier la découverte. Si l’excès est produit par des axions, alors la plupart des radiations devraient être émises à des énergies plus élevées que celles que XMM-Newton et Chandra sont capables de détecter. L’équipe espère utiliser un télescope plus récent, le NuSTAR de la NASA, pour observer les Sept Mercenaires sur une plus large gamme de longueurs d’onde.

Les étoiles naines blanches magnétisées pourraient être un autre endroit où chercher l’émission d’axion. Comme les Sept Magnifiques, ces objets ont de forts champs magnétiques et ne devraient pas produire d’émission de rayons X durs.

« Cela commence à être assez convaincant que c’est quelque chose qui dépasse le modèle standard si nous voyons un excès de rayons X là aussi », a déclaré M. Safdi.

Les recherches ont été publiées dans Physical Review Letters.

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Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche