Site de la collaboration  : https://madmax.mpp.mpg.de/

Dernières publications :

• MADMAX collaboration, First search for dark photon dark matter with a MADMAX
  prototype, Phys. Rev. Lett. 134 (2025) 151004 [2408.02368]
• MADMAX collaboration, First search for axion dark matter with a MADMAX prototype, Phys. Rev. Lett. 135 (2025) 041001 [2409.11777]
• Sensitivity of a closed dielectric haloscope to axion dark matter, A. Ivanov et al JCAP 06 (2026) 046 [2603.05006]

Objectifs et hypothèses de recherche

L’existence de la matière noire est soutenue par de nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques indépendantes ; elle représente 25 % de la densité énergétique totale de l’Univers. Si la majeure partie de la communauté scientifique soutient aujourd’hui son existence, sa nature reste inconnue et constitue l’une des questions les plus pressantes de la physique des particules. En raison de sa longue durée de vie et de son interaction avec la matière ordinaire, elle doit nécessairement se situer en dehors du Modèle Standard de la physique des particules. C’est pourquoi elle fait l’objet d’efforts expérimentaux très intenses afin d’en découvrir les propriétés.

L’espace des paramètres autorisés pour la masse de la DM, représenté sur la Figure 1, est extrêmement vaste. Par conséquent, les solutions motivées par des théories externes sont explorées en priorité. Les WIMPs, les neutrinos stériles de l’ordre du keV et les axions sont les solutions les plus populaires. Le WIMP a longtemps été le candidat privilégié en raison de la valeur prévisible de sa masse/couplage (le « miracle des WIMPs »). Cependant, après de longues recherches l’espace des phases disponible se heurte aujourd’hui au défi de la diffusion cohérente des neutrinos solaires, perçue désormais comme un bruit de fond impossible à éliminer. Alternativement, l’axion, proposé comme solution durable pour ramener dynamiquement ${\theta }_{QCD}$à 0, est également un excellent candidat pour la matière noire. De nombreux nouveaux projets prometteurs explorent son existence récemment. Un problème persistant en physique moderne est la domination observée de la matière sur l’antimatière dans l’Univers. L’une des célèbres conditions de Sakharov pour réaliser la baryogenèse est la violation de la symétrie de Charge-Parité (CP). Un terme violant la CP existe naturellement dans le Lagrangien de la QCD, paramétré par la phase a priori non nulle : $\theta_{QCD}$. La limite stricte sur l’existence d’un moment dipolaire électrique du neutron ($nEDM=(0,0\pm 1,1)\times {10}^{-26}e\cdot cm$) implique une valeur possible étonnamment basse pour un terme violant la CP dans la QCD (${\theta }_{QCD}<{10}^{-10}$) : c’est ce qu’on appelle le problème CP de l’interaction forte. Le mécanisme de Peccei-Quinn (PQ) prédit en 1977, générant un pseudo-boson$U(1)_{PQ}$, expliquerait naturellement pourquoi ${\theta }_{QCD}$est égal à 0 tout en ajoutant un nouveau champ dynamique : le champ axionique. Les modèles d’axions-QCD les plus simples et les candidats à la matière noire froide (CDM) s’orientent vers une gamme de masse comprise entre $1\mu eV$ et $1meV$, la région entre 15 et 400 μeV étant bien motivée [1] dans un scénario post-inflationniste. Les principaux paramètres de l’axion à déterminer sont la constante de désintégration de l’axion ($f_a$), la masse de l’axion ($m_a$) et le paramètre de couplage gamma ($g_{a\gamma}$), liés via les équations (1), $E\mathrm{/}N$ dépendant du modèle (par exemple $E/N = 8/3$ pour le modèle KSVZ) [2].

Trois catégories d’expériences sont possibles selon la source des axions :

• Anthropogéniques : un faisceau laser intense dans un champ magnétique statique produit des axions dans les expériences dites « de lumière traversant un mur » (light shining through wall, ex : ALPS). Un mur absorbe les photons, ne laissant passer que les axions potentiels à travers l’amortisseur vers le détecteur.
• Halo-axions : axions provenant de la matière noire du halo galactique interagissant avec le détecteur pour les haloscopes (ADMX, ABRACADABRA, MADMAX, ALPHA).
• Axions solaires : axions produits dans le cœur du Soleil via l’effet Primakoff : interaction entre le champ magnétique solaire intense et le rayonnement du corps noir (rayons X). Les expériences ciblant ces axions sont appelées hélioscopes (CAST, IAXO).

La plupart des expériences sur les axions visent à les détecter via la conversion axion-photon dans un champ magnétique très intense via l’effet Primakoff inverse (a$+\gamma \to \mathrm{\gamma )}$.

Les expériences de haloscopes sont les seules expériences ciblant les masses d’axions-DM et les valeurs de gaγ théoriquement motivées. Elles reposent sur la conversion d’un axion du halo galactique en un signal photon micro-onde d’environ ${10}^{-22}W$. Chaque expérience de haloscope est réglée pour être sensible à une certaine fréquence (masse de l’axion) et balaie différentes tailles de cavités pour explorer l’espace des phases de la masse de l’axion. Le principal défi de cette dernière catégorie d’expériences est donc la chaîne d’amplification vers la mesure (cavité résonnante, booster diélectrique, préamplificateur à faible bruit), le balayage de différentes gammes de masses et le niveau de bruit extrêmement bas (filtres, cryogénie, absorbeurs). L’approche par cavité résonnante atteint une limite expérimentale au-dessus de $10 \mu eV$ ($f\approx \mathrm{2 }\mathrm{GHz}$), où la petite taille de la cavité dégrade les statistiques, le facteur de qualité (effet de peau) et le rapport signal/bruit (bruit quantique).

Etat de l’art de la recherche d’axions

La gamme de masse des axions-QCD produits par la rupture de la symétrie PQ après l’inflation est de [1−100] μeV, correspondant à une fréquence de [0,2−24] GHz. Dans ce domaine de recherche, les principales expériences utilisent des cavités résonnantes froides placées dans un champ magnétique statique très intense (ABRACADABRA, ADMX, HATSTAC).  Elles sont cependant aujourd’hui limitées par une faible bande passante et la sensibilité limitée par le quantum. De nouvelles conceptions pour surmonter ces limitations existent, utilisant des plasmas oscillants comme ALPHA, des réflecteurs paraboliques dans BREAD ou explorant la limite quantique de micro-cavités comme dans GraHal ou ORGAN, mais elles sont encore au stade d’études de faisabilité. MADMAX est toutefois une expérience unique en termes d’exploration de bande de masse et de large bande passante (50 à 200 MHz de largeur) grâce à sa technologie unique basée sur l’idée d’un facteur de boost au lieu d’un facteur de qualité (Q) typique d’une cavité.

Le concept de haloscope diélectrique permet de rechercher des axions au-dessus de 10μeV. Si l’axion existe, sa loi classique de couplage à l’électromagnétisme peut être décrite par les équations axion-Maxwell décrites dans l’équation (2).

En présence d’un champ magnétique ${\mathbf{B}}_0$, le champ d’axions produit un champ électrique oscillant statique ${\mathbf{E}}_a$avec le paramètre $C_{a\gamma }$dépendant du modèle. Cela impliquerait une discontinuité de$\mathbf{E}_a$ à l’interface entre un disque diélectrique de haute permittivité ($ϵ>9$) et le vide (${ϵ}_0$). Cette discontinuité n’étant pas autorisée, une onde électromagnétique est générée à l’interface de deux diélectriques ($\epsilon_$et ${ϵ}_2$) pour assurer la continuité du champ ($P_{axion}\approx {10}^{-27}W$), suivant l’équation (3) [3], [4].

Cette onde est émise normalement à la surface du disque. Par conséquent, elle peut être amplifiée de manière cohérente en accumulant des disques à une distance appropriée. C’est l’effet « booster » de MADMAX, illustré sur la Figure 2, amplifiant le signal d’un facteur 50 000 ($P_{signal}\approx {10}^{-22}W$).

MADMAX. L’expérience Magnetized Disc and Mirror Axion eXperiment (MADMAX) est une expérience de première génération basée sur le concept de haloscope diélectrique utilisant un miroir focalisateur d’un côté, 80 disques diélectriques mobiles en ${\text{LaAlO}}_3$de 1,25 m de diamètre, un champ magnétique de 9 T délivré par un aimant dipolaire supraconducteur et un amplificateur à faible bruit (HEMT) de l’autre côté ; un signal radiofréquence peut être extrait dans une bande passante de 4 à 40 GHz. Par ailleurs, l’ensemble du détecteur doit être refroidi à une température cryogénique (4 K) et fonctionner dans un champ magnétique intense [5].

 

Figure 3: Principe physique de MADMAX (gauche) et schéma de la production et de l’acquisition des données (droite).

Le facteur de boost important, avec une amélioration du signal sur 50 à 200 MHz (selon la configuration des disques), permet un balayage rapide sur la gamme possible de 4 à 40 GHz, contrairement aux pics étroits des cavités résonnantes. La collaboration est actuellement dans une phase de prototypage et de démonstration de faisabilité. La conception et la construction d’un aimant supraconducteur de 9 T avec un diamètre d’ouverture chaude de 1,35 m (${\text{B}}_2\text{A}\approx 100{\text{ T}}^2{\text{m}}^2$) est un défi majeur. En dehors de l’aimant, le booster est la principale innovation et le défi de l’expérience. L’expérience doit donc démontrer la planéité parfaite et la possibilité de réglage de la position des disques (champ magnétique élevé, environnement cryogénique, objets à l’échelle du mètre, précision de $10\mu m$) et déterminer précisément le facteur de boost (étalonnage RF) [6].

• [1] C.B. Adams et al, White Paper – Axion Dark Matter, Snowmass 2021, arxiv: 2203.14923, (2023)
• [2] P.A. Zyla et al. (Particle Data Group), Review of Particle Physics, Prog. Theor. Exp. Phys. 2020, 083C01 (2020) doi
• [3] The ADMX collaboration, Search for Invisible Axion Dark Matter in the 3.3–4.2  μeV Mass Range, Phys. Rev. Lett. 127, 261803, (2021) doi , arxiv: 2110.06096
• [4] J.L. Ouellet, et al. First Results from ABRACADABRA-10 cm: A Search for Sub-μeV Axion Dark Matter, Phys. Rev. Lett. 122, 121802 (2019), doi, arxiv : 1810.12257v2
• [5] L. Zhong et al., Results from phase 1 of the HAYSTAC microwave cavity axion experiment, Phys. Rev. D 97, 092001 (2018), doi, arxiv: 1803.03690v1
• [6] A. J. Millar et al. (ALPHA collaboration), Searching for dark matter with plasma haloscopes, Phys. Rev. D 107, 055013 (2023), doi, arxiv: 2210.00017