Le détecteur de rayons cosmiques AMS a rejoint l'espace via la navette spatiale Endeavour le 16 avril 2011. Il a été installé sur l'ISS et devrait permettre de mesurer et de caractériser les flux de rayons cosmiques durant au moins dix ans. © Nasa

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Des îlots d'antimatière ont-ils été détectés par AMS ?

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Le détecteur de rayons cosmiques placé dans l'espace AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) aurait détecté quelques noyaux d'antihélium 3. Cela reste à confirmer mais si tel est le cas, cela pourrait signifier que des vestiges du Big Bang sous forme d'îlots voire de galaxies d'antimatière existent non loin de la Voie lactée. À moins qu'il ne s'agisse d'un produit de la désintégration de la matière noire...

  • Selon certains modèles, matière et antimatière se seraient séparées en deux ou plusieurs régions distinctes comme l’huile et l’eau en émulsion. Il pourrait donc exister des îlots d’antimatières dans le cosmos.
  • Quelques antinoyaux d’hélium 3 auraient été détectés par AMS dans l’espace. Ils pourraient provenir de ces îlots ou alors de la désintégration de la matière noire.
  • AMS n’a plus que quelques années pour le prouver car le détecteur cessera de fonctionner avec l’ISS, à l’horizon 2024.

Monté sur la Station spatiale internationale depuis 2011, l'AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), qui a coûté une fraction notable du LHC, peut être considéré comme le Hubble des rayons cosmiques. Ce détecteur doté d'un aimant de plus de huit tonnes alimenté en électricité par les panneaux solaires de l'ISS a mesuré les masses et les charges d'environ 90 milliards de particules dans le flux de rayons cosmiques. Étant placé dans l'espace, il peut déterminer directement la nature du rayonnement primaire qui heurte les noyaux des atomes des hautes couches de l'atmosphère où ils créent des gerbes de particules secondaires qui sont étudiées au sol avec des détecteurs comme Auger en Argentine. Dans ce dernier cas, la tâche des physiciens n'est pas facile car ils doivent remonter aux caractéristiques des rayons cosmiques primaires en étudiant ces particules secondaires.

Depuis environ 20 ans, le prix Nobel de physique Samuel Ting, qui a été un des principaux initiateurs d'AMS, espère sans doute qu'il en décrochera un second avec ce détecteur car il est en théorie capable de mettre en évidence indirectement l'existence des particules de matière noire dans la Voie lactée. Plusieurs théories prolongeant naturellement le modèle standard en physique des particules, comme la supersymétrie, prédisent en effet que certaines particules de matière noire peuvent se désintégrer en donnant un excès de positrons et d'antiprotons dans notre Galaxie relativement aux quantités attendues, en se basant sur des processus astrophysiques conventionnels.

Malheureusement, jusqu'ici les résultats ont été plutôt décevants à cet égard, ou pour le moins ambigus. Un excès de positrons a bien été détecté mais on peut très bien l'expliquer pour le moment en postulant la présence d'un ou plusieurs pulsars, à proximité du Système solaire, émettant ces antiparticules de l'électron.

Mais depuis quelque temps, Ting laisse entendre que les membres de la collaboration AMS sont peut-être en train de découvrir un plus gros poisson que les fameuses particules de matière noire. Le détecteur aurait pris dans ses filets ce qui semble pour le moment être des antinoyaux d'hélium 3, c'est-à-dire deux antiprotons liés par la force nucléaire forte avec un antineutron (pour mémoire, l'hélium 4 que l'on connait bien sur Terre contient deux protons et deux neutrons). Or, si l'on peut naturellement expliquer la présence d'antiprotons et d'antineutrons dans le flux de rayons cosmiques, ils ne devraient pas être assez abondants pour se rencontrer et former un état lié de trois de ces antinucléons.

À première vue, il existe une solution simple à cette énigme. Cet antihélium proviendrait de poches d'antimatière dans l'univers. Mais si on explore en détail cette possibilité, les problèmes s'accumulent mais aussi les possibilités de révolutionner la physique.

Des galaxies et des amas de galaxies en antimatière ?

Rappelons que d'après le modèle standard, lors du Big Bang, une égale quantité de matière et d'antimatière auraient dû être produites par le rayonnement primitif dans l'univers observable alors très dense et très chaud. Mais comme matière et antimatière s'annihilent quand une particule rencontre son antiparticule, il ne devrait plus exister que le rayonnement fossile aujourd'hui. Cette contradiction peut être éliminée si l'on suppose qu'un peu plus de matière a été produite que d'antimatière. C'est ce que prédisent certaines extensions du modèle standard, les GUT.

Une présentation de la mission AMS. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Karlsruhe Institute of Technology (KIT)

Il est possible aussi qu'antimatière et matière se soient simplement concentrées dans des régions différentes, un peu comme lorsque l'on mélange de l'huile et de l'eau sous forme d'émulsion. Mais par quel mécanisme se seraient-elles séparées ? Certains ont postulé l'existence d'une antigravité qui ferait que particule de matière et d'antimatière se repoussent comme le font les particules de charges opposées. Celle-ci est d'ailleurs traquée avec des expériences au Cern.

Cette théorie de l'émulsion a été testée depuis au moins les années 1970, à défaut d'avoir des preuves de l'existence de l'antigravité. Les chercheurs s'attendent dans ce cas à ce que les régions de matière et d'antimatière soient en contact à leur bordure et un important flux de rayons gamma en provenance de ces frontières devrait donc être visible. Mais rien de tel n'a été détecté dans notre Voie lactée, ce qui conduit donc à penser qu'antimatière et matière sont séparées au moins à l'échelle d'une galaxie. En fait, les observations sondant l'univers de plus en plus loin, l'absence du flux de rayons gamma conduit finalement à penser que si matière et antimatière forment une émulsion, c'est sur une échelle bien supérieure à quelques milliards d'années-lumière.

Des antinoyaux produits par la désintégration de la matière noire ?

Il est donc difficile de prendre au sérieux l'idée qu'AMS a vraiment détecté des antinoyaux d'hélium 3. L'astrophysicien et cosmologiste Gregory Tarlé, professeur à l'université du Michigan à Ann Arbor, et qui étudie l'énergie noire, la matière noire et les sources de rayons cosmiques, est même plus que sceptique. Pour lui Ting se refuse simplement à admettre que le détecteur AMS a un problème et il cherche à gagner du temps et de l'argent pour poursuivre l'étude de ce rayonnement avec AMS, en espérant finalement découvrir des preuves de l'existence de la matière noire.

Il n'existe aucune publication concernant les quatre à cinq antiatomes d'hélium 3 qu'AMS aurait peut-être détectés mais si tel est bien le cas, il faut attendre un plus grand nombre de détections pour avoir un résultat solide. Ting compte probablement  dessus avant de publier un article à ce sujet. Mais comme il ne reste plus qu'une des quatre pompes pouvant servir à refroidir le détecteur et qu'il faudrait de l'argent pour réparer la dernière si elle venait à cesser de fonctionner, on peut comprendre que le prix Nobel cherche malgré tout à attirer l'attention.

Certains modèles de particules de matière noire particulièrement massives prévoient leur désintégration en quelques quarks, mais qui vont rapidement s'hadroniser, comme on dit, en donnant grâce à l'énergie de la désintégration bien d'autres quarks lesquels vont s'assembler pour produire des hadrons comme les protons et les neutrons. Des noyaux d'antideutérium et même d'antihélium pourraient donc se créer, bien qu'en quantités faibles, et survivre à un voyage à travers le milieu interstellaire dans la Galaxie.

À défaut d'avoir débusqué des galaxies d'antimatière proches de la nôtre, AMS pourrait donc bien avoir détecté indirectement la matière noire. Mais il ne reste plus que quelques années pour le prouver car l'ISS devrait être abandonnée en 2024.