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AMS

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

AMS-02, encore appelé AMS pour Alpha Magnetic Spectrometer, est un détecteur destiné à étudier le flux de rayons cosmiques primaires dans l'espace à bord de l'ISS. En effet, la Terre est continuellement bombardée par des rayons cosmiques, dont certains atteignent des énergies bien supérieures à des dizaines de milliers de TeV, et donc à ce que l'on peut faire avec le LHC.

Ce flux n'est pas contrôlable, et sa luminosité est bien faible en comparaison de celle que l'on obtient sur Terre dans un accélérateur. Toutefois, avec de la chance, quelques collisions avec des particules possédant des énergies prodigieuses pourraient tout de même s'y produire et nous donner des renseignements de toute première importance sur des extensions de la physique des particules au-delà du modèle standard à de très hautes énergies.

AMS est un instrument complexe équipé d'un puissant aimant supraconducteur, de systèmes de détection des particules similaires à ceux du LHC et d'un superordinateur. En effet, le flot de particules pénétrant dans AMS est tout de même assez important, et les données enregistrées sont trop nombreuses pour être envoyées pour traitement sur Terre. Il faut donc qu'un ordinateur puissant et rapide filtre et traite les informations obtenues.

AMS est donc un dispositif complexe et coûteux puisqu'il a nécessité 1,5 milliard de dollars, ce qui n'est pas loin de la moitié du prix du LHC ! Comme il a besoin de 2,5 kW pour fonctionner, le choix de le placer à bord de l'ISS, dont les puissants panneaux solaires sont capables de fournir 110 kW, était logique.

La physique et la cosmologie avec AMS

Comme son nom l'indique, l'un des buts principaux d'AMS est de partir à la recherche de noyaux d'hélium (des particules alpha dans le jargon des physiciens). Mais pas n'importe lesquels, puisqu'il s'agit d'antinoyaux d'hélium.

En effet, on ne sait toujours pas pourquoi la matière semble très largement dominante sur l'antimatière dans l'univers observable. Il se peut que des processus à hautes énergies aient violé la symétrie matière-antimatière dans l'univers primordial, en produisant un peu plus de matière que d'antimatière. Si certaines théories physiques comme les Gut contiennent effectivement ce genre d'effet, il n'en reste pas moins qu'il s'agit pour le moment de spéculations théoriques.

Le détecteur AMS-02, de sa conception à sa mise en place sur l'ISS. Les résultats de sa chasse aux particules de matière noire sont très attendus. © www.widlab.com, Studio Famiglietti, Viméo, 2012

On pourrait aussi imaginer que comme l'huile et l'eau peuvent former une émulsion, matière et antimatière, en quantités égales, se sont séparées en plusieurs poches donnant naissance à des amas de galaxies, les unes de matière et les autres d'antimatière.

Il existe cependant de sérieuses bornes à l'existence d'amas de galaxies d'antimatière dans l'univers observable, car à la frontière entre deux amas, les nuages de gaz baignant les galaxies devraient entrer en contact. Matière et antimatière s'annihileraient alors, en produisant un rayonnement gamma intense et bien caractéristique. On devrait aussi trouver quelquefois des antinoyaux d'hélium dans le rayonnement cosmique en provenance de galaxies d'antimatière proches.

De tels noyaux ne sont quasiment jamais créés dans des collisions, et leur découverte serait une signature de l'existence d'antiétoiles (ce serait encore plus clair avec la détection d'antinoyaux de carbone). Pour le moment, rien de tel n'a été observé et les astrophysiciens et les cosmologistes sont plutôt confiants. Au moins dans un rayon de plus de trois milliards d'années-lumière, nous sommes raisonnablement sûrs qu'il n'y a pas de galaxies d'antimatière. Mais au-delà ?

Une chasse aux minitrous noirs et à la matière noire

AMS est donc susceptible de nous renseigner sur l'énigme de l'antimatière cosmologique manquante, mais il est capable de faire mieux. En effet, il peut mesurer avec une bonne résolution la quantité de positrons se trouvant dans le rayonnement cosmique, et il surpasse en précision des missions comme le satellite Pamela. Or, des excès de positrons à certaines énergies sont des conséquences indirectes de l'annihilation de particules de matière noire dans la Voie lactée, comme des neutralinos ou des particules de Kaluza-Klein.

Plus fascinant encore, si des mini trous noirs, reliques de processus cosmologiques primitifs, existent dans la Galaxie, ils devraient être responsables d'un flux anormalement élevé d'antiprotons et surtout d'antinoyaux de deutérium. Que ce soit avec ces minis trous noirs ou avec des particules de matière noire, cela constituerait un bond formidable dans la connaissance d'une physique au-delà du modèle standard, simplement parce que cela en établirait l'existence.

D'autres découvertes sont possibles avec AMS, comme l'âge des rayons cosmiques ou l'existence de « pépites » riches en quarks étranges laissées par le plasma de quarks primordial lorsqu'il s'est refroidi. Ces amas arbitrairement grands théorisés il y a longtemps par Edward Witten pourraient aussi expliquer une partie de la matière noire.

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