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Matière noire : AMS dévoile ses résultats sur les antiprotons

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Tout comme le télescope spatial Hubble, le détecteur de rayons cosmiques AMS-02 fait ses observations en dehors de l'atmosphère, laquelle trouble les signaux cosmiques étudiés. Après les résultats sur les positrons, ceux sur les antiprotons viennent d'être révélés. L'origine précise de l'antimatière dans la Voie lactée continue de rendre perplexes les astrophysiciens.

AMS-02 (devant les panneaux solaires, en haut) est installé sur la Station spatiale internationale (ISS). Il chasse la matière noire depuis presque quatre ans et devrait encore le faire pendant plusieurs années. © Nasa

Il y a quelques semaines, le magazine Symmetry, un périodique consultable en ligne et réalisé conjointement par des membres du Fermilab et du SLAC (les deux plus gros laboratoires en physique des hautes énergies aux États-Unis), faisait état de résultats très étonnants obtenus avec AMS (Spectromètre magnétique alpha). Il s'agit en fait d'AMS-02, le Hubble des rayons cosmiques qui se trouve à bord de l'ISS.

Rappelons qu'un des principaux buts de cette expérience est de détecter indirectement la présence de la matière noire dans la Voie lactée. Celle-ci n'a en effet encore jamais été observée sur Terre dans des collisionneurs ou des détecteurs enterrés comme Cogent. Selon certains modèles, les particules exotiques de la matière noire peuvent s'annihiler ou se désintégrer en donnant des positrons et des antiprotons. Ces particules d'antimatière peuvent aussi être produites au moyen de sources plus classiques, notamment des pulsars. Mais des anomalies dans les flux de ces particules peuvent trahir leur origine. Des résultats surprenants avaient déjà été obtenus avec des positrons mais sans pouvoir en tirer de conclusions définitives. On attendait donc avec impatience les résultats des études portant sur les antiprotons. L'article de Symmetry dévoile précisément ces résultats.

John Ellis est un très grand théoricien de la physique des particules dont l'avis fait particulièrement autorité lorsqu'il s'agit de chercher des traces d'une nouvelle physique, comme la supersymétrie (cette dernière prédit d'ailleurs naturellement l'existence de particules de matière noire). Or, dans l'article de Symmetry, le théoricien du Cern n'hésite par à parler des résultats sur le flux d'antiprotons mesuré par AMS en ces termes : « Ces nouveaux résultats sont très intéressants. Ils sont bien plus précis que les données précédentes et vont vraiment nous aider à circonscrire nos modèles de production de protons et d'antiprotons dans le cosmos ». Un article publié sur arXiv va d'ailleurs dans le sens des commentaires d'Ellis.

De haut en bas et de gauche à droite : les paires de neutralinos (X0 sur le schéma), sont des particules supersymétriques de matière noire qui, en s'annihilant, peuvent donner des paires de quark-antiquark (lettres q sur le schéma) donnant lieu à la formation d’hadrons et de positrons dans la galaxie. Les paires de neutralinos (X0) peuvent aussi donner lieu par annihilation à deux photons gamma (γ), comme indiqué en bas à gauche. © INFN

AMS, 60 milliards d'événements détectés depuis 4 ans

Qu'a donc trouvé AMS ? Le physicien Mike Capell du MIT le révèle à l'aide de plusieurs commentaires dans l'article de Symmetry. « On se creuse vraiment la tête », explique le chercheur, « nous ne pouvons par dire que nous voyons la matière noire mais les résultats que nous observons ne peuvent pas être expliqués au moyen des théories standard concernant l'origine des rayons cosmiques et leur propagations jusqu'à nous dans la Voie lactée. Tous ce que nous pouvons dire actuellement c'est que nos résultats nous laissent dans la confusion ». Mike Capell précise que « les modèles classiques prédisent qu'à hautes énergies, la quantité d'antimatière dans les rayons cosmiques doit décroître plus vite que celle de la matière. Mais, parce que la matière noire peut être sa propre antiparticule, lorsque deux de ces particules entrent en collisions, elles ont autant de chance de produire une particule de matière que d'antimatière ordinaires, donc nous devrions voir un excès de ces antiparticules ».

Or, justement, pendant ses quatre premières années, AMS a enregistré plus de 60 milliards d'événements de rayons cosmiques (électrons, positons, protons, antiprotons, et noyaux d'hélium, de lithium, de bore, de carbone, d'oxygène...) à des énergies allant jusqu'à plusieurs TeV et les données collectées permettent maintenant de constater que le rapport du flux d'antiprotons sur celui de protons ne diminue pas sur une large gamme d'énergie mais reste pour le moment constant, ou peu s'en faut.

Des mesures similaires avaient été obtenues avec les positrons et les électrons mais elles pouvaient s'expliquer par une population de pulsars proche du Soleil dans la Voie lactée ou en modifiant l'effet des restes de supernovae sur la propagation des rayons cosmiques. Selon Capell, ces explications sont bien plus difficiles à prendre au sérieux avec les antiprotons. Toutefois, pour en déduire que les particules de matière noire existent bel et bien, on devrait mesurer une brusque chute des flux d'antiparticules, ce qui n'est pas le cas pour le moment. Cela viendra peut-être, car AMS devrait continuer à prendre des données sur une plus large gamme d'énergies, jusqu'en 2024 au moins.

Le rapport du flux d'antiprotons sur celui de protons (p) reste mystérieusement constant, au-dessus de quelques dizaines de GeV (points rouges). On pouvait pourtant s'attendre à ce qu'il décroisse (courbe marron avec des incertitudes données par sa largeur). Les théoriciens ne savent pas encore comment interpréter ces résultats. © AMS, Cern

AMS, des mesures à l'interprétation théorique délicate

En attendant, un colloque s'est tenu au Cern à propos des tout derniers résultats d'AMS. Il s'agissait aussi de comprendre les corrélations entre les résultats d'AMS et ceux des autres grandes expériences sur les rayons cosmiques comme IceCube, l'observatoire Pierre Auger, ou encore les télescopes Fermi et Hess. Des physiciens expérimentateurs et de nombreux physiciens théoriciens étaient présents selon un communiqué du Cern.

Le prix Nobel de physique Samuel Ting, porte-parole d'AMS qui s'est beaucoup investi dans cette expérience, n'a d'ailleurs pas caché son enthousiasme : « Je suis extrêmement heureux qu'un si grand nombre de scientifiques, parmi les plus éminents du monde, s'intéressent aux résultats d'AMS et se rendent au Cern pour cette réunion ». Rolf Heuer, le directeur général du Cern a quant à lui déclaré : « Les résultats inexpliqués sont stimulants pour les physiciens, qu'ils soient théoriciens ou expérimentalistes ; ils signifient que nous sommes peut-être à l'aube d'une nouvelle découverte ou d'un nouveau mystère ».

Cette prudence dans l'interprétation des résultats d'AMS que l'on trouve exprimée dans les déclarations de Mike Capell et Rolf Heuer est partagée par plusieurs experts travaillant sur l'origine et la propagation des rayons cosmiques dans la Voie lactée. Rappelons d'ailleurs que les résultats de Planck concernant le rayonnement fossile sont nettement défavorables à l'interprétation des résultats d'AMS en termes de matière noire.

Comme le rappelle sur son blog Richard Taillet, l'un des experts français des rayons cosmiques dans notre Galaxie« Les observations d'AMS sont importantes, surprenantes, feront date, et donnent du travail aux théoriciens, mais il faut prendre garde à ne pas donner à une mesure plus de poids que ce qu'elle est : une mesure. Le pas suivant, que ce soit une remise en cause des théories actuelles ou une découverte de la matière noire, ne saurait être que le fruit de nombreux travaux, dont certains sont en cours. Des discussions, des désaccords, des confrontations, des collaborations, qui demanderont du temps ». En effet, selon le chercheur, il existe encore de telles incertitudes, tant théoriques qu'expérimentales, dans les divers modèles étudiés qu'il serait encore trop tôt pour en tirer des conclusions.

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