Le Modèle Standard de la physique des particules est l’un des cadres théoriques les plus précisément testés de la science, mais il n’est pas complet. Il n’explique pas la matière noire, l’énergie noire, ni pourquoi la matière domine sur l’antimatière dans l’univers. Une possibilité majeure est l’existence de nouvelles particules, axions, bosons Z’, photons noirs, qui médient des forces au-delà du Modèle Standard. Le défi est que ces particules, si elles existent, interagissent si faiblement avec la matière ordinaire qu’elles ont échappé à la détection.
Aujourd’hui, une équipe de physiciens de l’Amherst College et du Keene State College a établi les contraintes les plus strictes à ce jour sur certaines classes de ces interactions exotiques, améliorant les limites précédentes d’un facteur allant jusqu’à 17.
Un comagnetomètre sur une plateforme tournante
L’expérience, menée par le groupe de Larry R. Hunter à l’Amherst College, utilise un comagnetomètre ¹⁹⁹Hg–¹³³Cs, un dispositif qui mesure simultanément la précession de deux espèces atomiques différentes dans le même champ magnétique. En comparant le comportement du mercure (dont la précession est sensible au spin nucléaire) et du césium (dont la précession est sensible au spin électronique), l’équipe a pu isoler toute force dépendante du spin qui se couple différemment aux deux atomes.
L’appareil se compose de trois cellules à vapeur empilées : une contenant de la vapeur de ¹⁹⁹Hg flanquée de deux contenant du ¹³³Cs. Un champ magnétique de 1 μT donne une fréquence de précession d’environ 7 Hz pour le mercure et d’environ 3,5 kHz pour le césium, la différence d’un facteur 500 signifie que le césium effectue 120 cycles par cycle de mercure, fournissant une lecture continue à haute résolution de tout signal de spin différentiel.
L’innovation clé consiste à monter l’ensemble du comagnetomètre sur une plateforme de rotation de précision avec une reproductibilité de 0,004 degré. La Terre elle-même sert de source de spin : l’équipe a utilisé la polarisation nette des électrons dans le manteau et la croûte terrestres, estimée à 5 × 10³⁸ électrons alignés ou plus le long de l’axe de rotation, comme une source massive et naturelle de spins polarisés. En faisant tourner l’appareil entre les orientations nord-sud et est-ouest, toute interaction exotique spin-spin modulerait la fréquence de précession selon un schéma prévisible.
Les chiffres
En réalisant l’expérience dans les deux orientations avec une analyse en aveugle (décalages aléatoires appliqués jusqu’au levé d’aveugle) et en tenant compte de 13 corrections systématiques locales et 5 globales, l’équipe a obtenu des résultats nuls, le signal était cohérent avec zéro dans toutes les orientations. Ces résultats nuls se traduisent par des limites supérieures sur les constantes de couplage des forces exotiques dépendantes du spin.
Dans l’orientation nord-sud, l’équipe a atteint une limite de fréquence de 72 nHz pour le signal de précession différentiel. La limite d’énergie correspondante sur tout couplage total dépendant du spin est de 7,49 × 10⁻²³ eV.
Le résultat le plus contraignant fixe une limite supérieure sur la constante de couplage axial électron-neutron |g_A^e g_A^n| ≤ 3,0 × 10⁻⁴⁸, soit environ 17 millions de fois plus faible que l’interaction gravitationnelle entre un électron et un neutron. Pour le couplage axial électron-proton, la limite est |g_A^e g_A^p| ≤ 3,0 × 10⁻⁴⁷.
Pour des masses inférieures à environ 10⁻¹² eV (correspondant à des portées d’interaction au-delà de 1 km), ce sont les meilleures limites expérimentales jamais établies.
Ce que cela signifie pour la matière noire et la nouvelle physique
Les particules exotiques contraintes par cette expérience couvrent un large éventail de candidats à la matière noire :
- Axions et particules de type axion (ALPs) : prédits par les solutions au problème CP fort et principaux candidats à la matière noire, contraints par leur couplage axial-axial aux électrons et aux nucléons.
- Bosons Z’ et photons noirs : porteurs de force hypothétiques de nouvelles symétries de jauge U(1), contraints par leurs couplages axial-vecteurs.
- Modèles de gravité de torsion : extensions de la relativité générale qui introduisent des couplages gravitationnels dépendants du spin.
L’expérience n’exclut pas entièrement ces particules, elle réduit l’espace des paramètres permis. Pour chaque candidat, la plage des constantes de couplage possibles a été réduite d’environ un ordre de grandeur par rapport aux meilleures mesures précédentes.
La méthodologie compte
Plusieurs avancées expérimentales ont contribué à l’amélioration d’un facteur 17 par rapport à l’état de l’art antérieur (y compris l’article de 2013 du même groupe dans Science). L’équipe a utilisé une géométrie de précession libre qui supprime les déplacements lumineux vectoriels AC des lasers de pompage, un blindage magnétique à quatre couches de mu-métal offrant une atténuation d’environ 3 millions, une plateforme de rotation de précision pour le contrôle de l’orientation, et une caractérisation systématique approfondie avec 18 corrections distinctes.
Le protocole d’analyse en aveugle, standard en physique des particules dans les grandes installations mais moins courant dans les expériences de précision de laboratoire, ajoute la certitude qu’un biais expérimental inconscient n’a pas influencé le résultat.
Le financement a été assuré par la subvention NSF PHY-2110523. L’article a été soumis à arXiv le 30 juin 2026.
Source
Clayburn, N.B., Glassford, A., Uelmen, T., Kyung, A.R., Boneva, Y., Salim, S., Weiss, A.S., Waldherr, F., Carlin, C., Peck, S.K., and Hunter, L.R. “New Bounds on Exotic Long-Range Spin-Spin Interactions.” arXiv:2607.00200 physics.atom-ph] (2026). [https://arxiv.org/abs/2607.00200
Traduit par Lydie