Prototypage d'un haloscope diélectrique pour la recherche d’axions – HALOX

La matière noire est l’un des principaux mystères de la physique fondamentale, jouissant d’un intérêt croissant dans la communauté scientifique. Les axions en sont un des candidats les mieux motivés. Leur découverte nécessite le développement de techniques expérimentales complexes. Différentes propositions d’expériences novatrices ont été formulées durant la décennie 2010, parmi lesquelles MADMAX est la seule capable d’explorer la fenêtre en masse autour de 100 micro-eV, favorisée par la théorie. Elle reçoit ainsi de plus en plus d’attention depuis qu’elle a été proposée en 2016. La collaboration MADMAX est aujourd’hui composée de 50 scientifiques de 10 instituts allemands (parmi lesquels l’Université de Hambourg et DESY), français (parmi lesquels le CPPM), américains et espagnols. Basé sur le concept novateur de booster diélectrique, MADMAX sera composé de 80 disques diélectriques de plus d’1 mètre de diamètre positionnés précisément à température cryogénique et plongés dans un aimant supraconducteur de 9 T. En vue de la réalisation de cet instrument innovant, la collaboration MADMAX a développé un programme progressif basé sur des prototypes de dimensions croissantes afin de prouver la faisabilité des différents aspects de ce concept d’haloscope. Les prototypes ont été / seront opérés dans un aimant existant au CERN (1,6 T), permettant ainsi d’effectuer des recherches de particules similaires aux axions dans un espace des phases inexploré. Cela ouvrira la voie à l’expérience finale, qui sera localisée à DESY-Hambourg, en concluant sur les options technologiques à suivre.

L’objectif de cette proposition est de favoriser et renforcer la collaboration entre l’Université de Hambourg, DESY et le CPPM pour la mise en œuvre et l’exploitation de HALOX, un prototype d’haloscope diélectrique avec trois à six disques de 300 mm de diamètre. La prise de données dans un cryostat refroidi à la température de l’hélium liquide permettra d’effectuer une recherche d’axions inédite. La taille réduite du prototype est nécessaire afin de prouver la faisabilité technique du projet et d’établir la production de tous les composants. Les savoir-faire des instituts allemands et français sont complémentaires pour la réalisation d’HALOX. En renforçant notre collaboration, le financement de cette proposition permettrait d’accroître la visibilité franco-allemande dans le domaine prometteur et en pleine expansion de recherche de matière noire interagissant faiblement. La synergie entre les différentes équipes est centrée autour d’un plan de travail commun composé de différentes tâches bien identifiées.

La demande de financement du projet couvre 3 années dédiées à la mise en œuvre et tests du prototype (2025), son exploitation vers les premiers résultats de physique (2026) et l’augmentation de sa sensibilité (2027). Ce programme ambitieux et innovant, avec des relations privilégiées entre scientifiques de l’Université de Hambourg, de DESY et du CPPM et des possibilités d’échanges d’étudiants en thèse, offre un fort potentiel scientifique couplé à plusieurs opportunités technologiques.