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Matière noire : AMS-02 voit-il sa trace dans les rayons cosmiques ?

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AMS-02, le « Hubble des rayons cosmiques », a mesuré avec une plus grande précision le flux de positrons frappant la Terre depuis l'espace. Anormalement élevé,  il avait déjà été remarqué par les satellites Pamela et Fermi. Deux hypothèses sont en lice pour l'expliquer : la matière noire et les pulsars. Mais laquelle est la plus probable ? Futura-Sciences a posé la question à Aurélien Barrau, membre de la collaboration AMS, et à Richard Taillet, qui étudie depuis longtemps les traces possibles de la matière noire dans les rayons cosmiques.

Une vue d'AMS-02 (devant les panneaux solaires, en haut) juste après son installation sur l'ISS. Il chasse la matière noire depuis 18 mois, et devrait encore le faire pendant plusieurs années. © Nasa

Il y a presque un mois, le prix Nobel Samuel Ting faisait monter la tension en annonçant que la publication des premiers résultats de la traque d'une signature indirecte de l'existence de la matière noire dans les rayons cosmiques, avec AMS-02, était une question de semaines. Lors d'une conférence retransmise en direct sur la toile depuis le Cern le 3 avril 2013, Ting a finalement rendu publics ces résultats.


Une vidéo de présentation d'AMS-02 sous-titrée en français. Matière noire, matière étrange et antimatière sont à son programme de chasse pendant 10 à 20 ans à bord de l'ISS. © Esa, YouTube

Les attentes étaient grandes. En effet, bien que la découverte d'un disque de galaxies naines autour d'Andromède a permis aux partisans de la théorie Mond de marquer un point de plus dans le match qui les oppose aux défenseurs de la matière noire, la publication des résultats de Planck consolide fortement le modèle standard avec de la matière noire froide. Une partie de la communauté scientifique s'attendait à la découvrir rapidement au LHC, mais pour le moment, cet espoir a été déçu.

Des rayons cosmiques qui zigzaguent dans la Voie lactée

Certes, on sait qu'une toute petite composante de matière noire chaude, c'est-à-dire des neutrinos, existe bel et bien. Mais on n'a toujours aucune trace directe de l'existence des nouvelles particules qui constitueraient 26,8 % de la densité de l'univers à l'échelle cosmologique. Différentes de la matière ordinaire, il pourrait s'agir de ce qu'on appelle des Wimp.

Un schéma (voir les explications dans le texte ci-dessous) montrant différentes sources possibles de positrons, électrons et protons dans les rayons cosmiques parcourant la Voie lactée et les autres galaxies. Toutes les sources possibles n'ont pas été représentées, à l’instar des naines blanches ou des pulsars. © Galex, JPL-Caltech, Nasa, et schéma, Alan Stonebraker, APS

Pour comprendre ce que l'on cherche dans les rayons cosmiques avec l'Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02), qui est à bord de l'ISS, il est bon d'avoir à l'esprit le schéma ci-dessus. Un décryptage s'impose.

Les explosions et les restes de supernovae (SNR) produisent et accélèrent des protons (p) et des électrons (e-) qui se déplacent selon les lois de la marche aléatoire, dans les champs magnétiques turbulents des galaxies. Au cours de ces mouvements de diffusion browniens, qui ressemblent à la marche d'un homme ivre, dans la Voie lactée, les protons accélérés entrent violemment en interaction avec les noyaux d'hydrogène et d'hélium du milieu interstellaire. Des pions (π) instables sont créés, puis se désintègrent en muons (µ), et finalement en électrons et positrons (e+).

Un énigmatique excès de positrons

Les calculs concernant les flux de positrons issus de ces phénomènes dans notre Galaxie, essentiellement dus aux SNR, prédisent qu'à des énergies suffisamment élevées, ces flux décroissent.

Or, ce n'est pas du tout ce qui a été observé à partir de 2008 par les satellites Pamela et Fermi. Observation que confirment avec davantage de précision les mesures de la collaboration AMS, comme le montre le schéma ci-dessous. 

Les mesures de Fermi, Pamela et d’AMS sont présentées ici, AMS affichant des barres d'erreurs plus faibles. Sont indiquées en abscisse les énergies des positrons, et en ordonnée leur fraction dans les rayons cosmiques. On voit clairement une remontée anormale à partir de 10 GeV. © M. Aguilar et al.

L'énigme est celle de la brusque augmentation de la fraction de positrons dans les rayons cosmiques à partir de 10 GeV environ. Le phénomène s'expliquerait bien si des particules de matière noire de masses supérieures à quelques centaines de GeV (la masse d'un proton étant d'environ 1 GeV) étaient soit instables, soit susceptibles de se désintégrer lors de collisions, en donnant entre autres des électrons et des positrons. Bien qu'assez convaincantes, les mesures de Fermi et Pamela pouvaient être questionnées.

Surtout, il est devenu clair assez rapidement qu'un ou des pulsars non encore détectés, probablement peu éloignés du Système solaire dans la Voie lactée, pouvaient fort bien expliquer ces mesures. Ce genre de cadavres stellaires produit en effet des positrons en quantités importantes, à cause de sa rotation rapide et de son fort champ magnétique.

La conférence du 3 avril au Cern et la mise en ligne d'un article sur les premiers résultats d'AMS-02 mettent fin aux doutes concernant l'existence d'un flux anormal d'antimatière dans les rayons cosmiques. Faut-il en conclure, comme le laisse entendre Samuel Ting, qu'une preuve de l'existence de la matière noire sera peut-être apportée par ce détecteur dans quelques mois ?

Aurélien Barrau en plein travail au POCC (Payload Operations and Control Center) d'AMS au Cern. © Aurélien Barrau

Une explication astrophysique plus probable, pour Aurélien Barrau

Futura-Sciences a demandé à Aurélien Barrau et Richard Taillet ce qu'ils en pensaient. Aurélien Barrau est membre de la collaboration AMS qui a nécessité le travail de près de 600 chercheurs de par le monde. Le cosmologiste a participé à la prise de données avec le détecteur.

« Nous avons passé beaucoup de temps sur l'expérience AMS. Il y a eu des moments difficiles, en particulier quand la Nasa a arrêté les vols de navettes, avant de les reprendre. Voir aujourd'hui le détecteur fonctionner parfaitement est un immense plaisir. Les premiers résultats sont magnifiques et témoignent d'une sensibilité exceptionnelle. AMS sera probablement une expérience "définitive" dans son domaine, un peu comme Planck l'est pour le CMB (Cosmic Microwave Background). »

« En l'état, les résultats sur les positrons ne me semblent néanmoins pas révolutionnaires. Ils confirment les mesures de Pamela et, à titre personnel, je pense qu'une explication astrophysique est plus probable qu'une explication liée à la matière noire. Nous verrons ! »

Une signature douteuse de la matière noire, selon Richard Taillet

Comme nous allons le constater en compagnie de Richard Taillet, les raisons qui pointent en direction d'une interprétation des résultats actuels d'AMS en termes de sources astrophysiques classiques semblent assurément nombreuses et sérieuses. Le chercheur nous avait dressé un bilan de la chasse aux particules de matière noire, il y a quelques mois. 


Dans cette vidéo des éditions De Boeck (pour lesquelles il a écrit ou traduit plusieurs ouvrages), Richard Taillet (en compagnie de Claude Aslangul) répond à plusieurs questions. Par exemple : « Pourriez-vous nous expliquer ce qu'est la matière noire ? », « Quels sont les possibles candidats formant la matière noire ? » © Éditions De Boeck, YouTube

Avec des collègues, Richard Taillet se penche depuis longtemps sur les rayons cosmiques dans la Voie lactée, et sur la question de leur utilisation pour détecter indirectement les particules de matière noire. Voici ce qu'il pense des résultats d'AMS :

« Les membres d'AMS peuvent être fiers du travail accompli, car il n'était pas évident de faire fonctionner un tel détecteur dans l'espace et d'obtenir une précision d'un pourcent dans la mesure du flux de positrons. »

« Mais je dois dire que les interprétations qui laissent entendre que, dans l'état actuel des résultats obtenus, on n'est peut-être plus très loin de l'obtention d'une preuve indirecte de l'existence de la matière noire, me laissent perplexe. Je suis même vraiment sceptique, comme bon nombre de mes collègues qui travaillent dans le domaine de la matière noire et de ses relations avec les rayons cosmiques. »

« Il est tout à fait exact qu'il existe des modèles pour les particules de matière noire qui prévoient que celles-ci, lorsqu'elles sont leurs propres antiparticules, peuvent s'annihiler lors de collisions. On peut citer par exemple les neutralinos (à ne pas confondre avec les neutrinos) prédits par des théories supersymétriques. »

« Malheureusement, si les théories les plus vraisemblables que l'on considère habituellement prédisent effectivement une anomalie dans le flux de positrons, elles prédisent aussi des flux de rayons gamma qui sont en totale contradiction avec les observations faites au niveau du centre de la Voie lactée et des galaxies naines. On devrait aussi observer un excès d'antimatière avec les flux d'antiprotons, et pour le moment, il n'y a rien de tel. »

En haut, de gauche à droite : des paires de neutralinos, des particules de matière noire qui, en s'annihilant, peuvent donner des paires de quark-antiquark donnant lieu à la formation d’hadrons et de positrons dans la galaxie. Les paires de neutralinos peuvent aussi donner lieu par annihilation à deux photons gamma, comme indiqué en bas à gauche. © INFN

Richard Taillet poursuit :

« Mettre en accord l'hypothèse de la matière noire avec les observations de Pamela, Fermi et maintenant d'AMS nécessite donc de considérer des modèles de matière noire qui ne semblent pas crédibles. Une illustration supplémentaire de ce problème vient du taux d'annihilation des particules de matière noire, que l'on peut déduire de ces observations. Il est presque 100 fois plus élevé que celui exigé par le modèle cosmologique standard, qui a de nouveau passé brillamment un test avec les observations de Planck. »

« S'il est exact que les mesures d'AMS sont plutôt favorables à l'hypothèse d'une isotropie du flux anormal de positrons, ce qui accréditerait plutôt l'hypothèse de la matière noire, elles n'excluent pas encore l'hypothèse que ce flux provienne de sources dont la distribution ne serait ni complètement isotrope, ni homogène. »

« Il n'est pas clair non plus qu'une brutale baisse du flux de positrons à des énergies au-dessus de 350 GeV (la limite actuelle des observations d'AMS), soit vraiment un signal dénué d'ambiguïté de la présence de la matière noire. Personne, pour le moment, ne peut dire avec certitude qu'aucun phénomène astrophysique classique ne pourrait expliquer une telle chute, si elle venait à être observée. »

« AMS devrait continuer à prendre des données pendant encore au moins 10 ans. Il sera intéressant de voir ce que l'on va trouver avec les flux d'antiprotons et d'antinoyaux de deutérium. Il n'est pas exclu que des anomalies et des corrélations entre ces flux et celles du flux de positrons puissent nous conduire à vraiment exclure une explication en termes de sources astrophysiques standards, comme des pulsars. En attendant, je crois qu'il faut garder la tête froide. »