L’expérience OSQAR (Optical Search of QED vacuum magnetic birefringence, Axion and photon Regeneration) du CERN a pour but de rechercher des particules hypothétiques appelées axions, et d’étudier les propriétés du vide.  Selon certaines théories, les axions pourraient être des composants de la matière noire, et, à ce titre, ils permettraient de comprendre pourquoi il y a aujourd’hui davantage de matière que d’antimatière dans l’Univers.

L’expérience OSQAR est située dans l’installation d’essai des aimants du CERN, sur la frontière franco-suisse. Elle utilise deux aimants dipolaires supraconducteurs semblables à ceux du Grand collisionneur de hadrons (LHC), qui contiennent une chambre à vide de 55 mètres de longueur et de 40 millimètres de diamètre.

La lumière qui traverse le mur

OSQAR recherche des axions et des particules analogues en exposant un faisceau laser contenant des photons (particules composant la lumière visible) à un champ magnétique de 9 teslas. Ce champ – le plus fort jamais utilisé dans la recherche d’axions – a pour effet de transformer en axions certains des photons du faisceau laser.

Les chercheurs d’OSQAR envoient le faisceau laser dans une chambre à vide contenant une barrière qui bloque les photons pour ne laisser passer que les axions. S’ils détectent de la lumière de l’autre côté de la barrière, les chercheurs en déduisent que des axions ont traversé la barrière et qu'ils se sont transformés en photons, qui peuvent être détectés. Autant dire que la lumière traverse le mur. Plus le champ électromagnétique est élevé, plus la probabilité qu’un axion se manifeste est grande. Les puissants aimants du LHC sont donc parfaits pour l’expérience OSQAR.

Résoudre certains grands mystères de la physique

Selon certaines théories, des axions ont été produits durant le Big Bang, et ils sont toujours produits par le Soleil. Les axions ont une masse minuscule, 500 millions de fois plus faible que celle d’un électron. Ils ne possèdent pas de charge électrique et interagissent très peu avec la matière, ce qui les rend difficiles à observer. Les axions pourraient être des composants de la mystérieuse matière noire, qui représente 26 % de l’Univers. Ils constituent également un élément important de la théorie des cordes, selon laquelle des particules élémentaires, comme les quarks et les gluons, sont liées entre elles par des cordes qui oscillent.

Les axions pourraient également permettre de résoudre le problème dit de CP forte, une énigme du Modèle standard. Lors du Big Bang, matière et antimatière ont été produites en quantités égales. Mais nous vivons aujourd’hui dans un Univers fait principalement de matière, ce qui prouve que, d’une manière ou d’une autre, c’est la matière qui l’a emporté sur l’antimatière. En vertu de la symétrie CP, les particules comme leurs antiparticules, leur image miroir, obéissent aux mêmes lois physiques. Par contre, s’il y a brisure de symétrie, cela signifie qu’un plus grand nombre de particules que d'antiparticules auraient survécu de l'Univers primordial, ce qui expliquerait la prédominance de la matière. Jusqu’ici, toutes les violations de symétrie CP qui ont été observées ont trait à l’interaction faible. Toutefois, selon certaines théories, des axions pourraient être créés si la violation de la symétrie CP se manifeste aussi dans l’interaction forte.

Propriétés du vide

OSQAR a été aussi conçu pour étudier les propriétés du vide lorsque celui-ci est exposé à un champ électromagnétique et à un faisceau laser. En présence des deux, on estime que le vide modifie la trajectoire de la lumière. Une meilleure connaissance de ces propriétés aidera les chercheurs dans leurs futurs travaux ayant trait au vide.

L’expérience OSQAR a commencé à acquérir des données en 2006. Elle complète l’expérience CAST (CERN Axion Solar Telescope), qui recherche des axions produits par le Soleil.