Du beau pain sur la planche pour la matière sombre
source: © NASA/Collaboration AMS
Pour célébrer les cinq premières années d'opération à bord de la Station spatiale internationale, le Professeur Sam Ting, porte-parole de la Collaboration Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) vient de présenter leurs derniers résultats lors d’un récent séminaire tenu au CERN. Avec plus de 90 millions d'évènements recueillis dans les rayons cosmiques, ce groupe dispose des données les plus précises sur une vaste gamme de particules trouvées dans l'espace. La question qui intrigue de nombreux scientifiques est de savoir s’ils pourront résoudre l’énigme de l'origine de l'excès de positrons trouvés dans les rayons cosmiques. Les positrons sont l'antimatière des électrons. Étant donné que nous vivons dans un monde fait presque uniquement de matière, les scientifiques se demandent depuis plus d'une décennie d'où émanent ces positrons. Il est bien connu que des positrons sont produits lorsque les rayons cosmiques interagissent avec la matière interstellaire mais on en observe bien plus que ce à quoi on s'attendait de cette seule source. Des hypothèses diverses ont été formulées pour expliquer l'origine de ces positrons excédentaires. Une des plus fascinantes suggère que ces positrons pourraient venir de l'annihilation de particules de matière sombre. La matière sombre est une nouvelle forme de matière invisible qu’on détecte dans l'Univers par ses effets gravitationnels. La matière régulière, tout ce que nous voyons sur la Terre, mais aussi dans les étoiles et les galaxies, émet de la lumière lorsque chauffée, tout comme une pièce métallique irradie à haute température.
La matière sombre n'émet aucune lumière, d'où son nom. Elle est cinq fois plus répandue que la matière régulière. Personne ne le sait encore mais on soupçonne que cette matière, tout comme la matière ordinaire, soit faite de particules, mais on n'a toujours pas capturé de particules de matière sombre. Mais si de telles particules existaient, elles pourraient s’annihiler entre elles, produisant des électrons et des positrons, ou des paires de protons et d’antiprotons. Si un tel processus était établi, cela confirmerait enfin l’existence de particules de matière sombre et révèlerait quelques indices sur leurs caractéristiques.
Une explication alternative mais moins exotique serait que l'excès observé de positrons provienne de pulsars. Les pulsars sont des étoiles à neutrons ayant un fort champ magnétique et qui émettent de la lumière pulsée. Mais la lumière est faite de photons et les photons peuvent eux aussi produire des paires d’électrons et de positrons. Donc, les pulsars tout comme l'annihilation de matière sombre, fournissent une explication plausible quant à la source de ces positrons. Pour les distinguer, il faut mesurer l’énergie des positrons captés dans les rayons cosmiques et voir combien on en trouve à haute énergie. C’est ce que AMS a fait et leurs résultats sont visibles dans le graphe de gauche ci-dessous où nous voyons le flux de positrons (axe vertical) trouvé à une énergie particulière (axe horizontal). Le flux combine le nombre de positrons trouvés avec leur énergie au cube. La courbe en vert donne le nombre de positrons produits lorsque des rayons cosmiques frappent de la matière interstellaire (ISM).
Si l'excès de positrons devait venir de l'annihilation de matière sombre, on ne trouverait aucun positron au-delà de l’énergie correspondant à la masse des particules de matière sombre. Ils auraient une distribution d'énergie semblable à la courbe en brun sur le graphe ci-dessous tel que prédit pour des particules de matière sombre ayant une masse de 1 TeV, soit mille fois plus lourd qu'un proton. Dans ce cas, la courbe de distribution d'énergie des positrons chuterait rapidement. Les points en rouge représentent les données d’AMS avec leurs erreurs expérimentales indiquées par les barres verticales. Par contre, si les positrons venaient de pulsars, la chûte à haute énergie serait moins prononcée.
source: Collaboration AMS
Toute la difficulté consiste à comprendre précisément leur comportement à haute énergie. Mais comme on y trouve moins de positrons, il est beaucoup plus difficile de voir ce qu’il en est comme l’indiquent les larges marges d'erreur associées aux mesures faites à plus haute énergie. Mais si on mesure plutôt la fraction de positrons trouvés dans les données en combinant positrons et électrons, certaines des erreurs expérimentales s’annulent. AMS a rassemblé plus d'un million de positrons et 16 millions d'électrons. Les points en rouge sur le graphe de droite ci-dessus montrent la fraction de positrons trouvée dans leur échantillon en fonction de leur énergie. Malgré les pas de géants accomplis, la précision actuelle de ces mesures ne permet toujours pas d’établir clairement si cette fraction tombe abruptement à haute énergie ou pas. La Collaboration AMS espère toutefois avoir assez de données pour distinguer les deux hypothèses d’ici à 2024, date à laquelle la Station Spatiale Internationale cessera ses opérations. On peut voir ces projections sur les deux graphes suivants tant pour le flux de positrons (à gauche) que pour la fraction de positrons (à droite). À ce jour, les deux hypothèses sont toujours valides étant donné la taille des erreurs expérimentales.
source: Collaboration AMS
L’hypothèse de la matière sombre peut aussi être testée d’une autre façon. En interagissant avec la matière interstellaire, les rayons cosmiques produisent non seulement des positrons mais aussi des antiprotons. Les annihilations de matière sombre pourraient aussi en produire mais pas les pulsars. Il faut donc déterminer s'il y a ou pas plus d'antiprotons dans l'espace que ce que les rayons cosmiques peuvent produire. Si c’était établi, ce serait un argument de plus contre l’hypothèse des pulsars. Mais pour ce faire, il faut savoir précisément comment les rayons cosmiques se propagent et interagissent avec la matière interstellaire. S’appuyant sur le vaste échantillon d'antiprotons recueillis par AMS, le Prof. Sam Ting a soutenu qu'un tel excès existe, présentant le graphe suivant à l’appui. On y voit la fraction d'antiprotons trouvés dans l'échantillon total de protons et des antiprotons en fonction de leur énergie. Les points en rouge représentent les mesures d’AMS, la bande brune, les calculs théoriques pour les rayons cosmiques et la bande bleue, ce qui pourrait venir de la matière sombre.
source: Collaboration AMS
Ce graphe suggère fortement un surplus d'antiprotons par rapport à ce que l'on s’attend des rayons cosmiques interagissant avec la matière interstellaire (ISM). Mais tant Dan Hooper qu'Ilias Cholis, deux théoriciens experts en la matière, s’objectent carrément, disant que l'incertitude sur les prédictions théoriques sont beaucoup plus grandes que ce que ce graphe suggère. Ils soutiennent que le graphe suivant (de Cuoco etal.) est de loin plus réaliste. Les points en rose représentent les données d’AMS pour la fraction d’antiprotons et le trait en noir, les prédictions théoriques avec leur marge d’erreur. Les deux concordent ou presque, suggérant l’absence de tout excès. Nous devrons patienter encore quelques années avant que les données d’AMS et les prédictions théoriques soient assez précises pour savoir s'il y a excès ou pas.
source : Cuoco, Krämer and Korsmeier, arXiv:1610.03071v1
La Collaboration AMS pourrait nous réserver une autre belle surprise : la découverte d’antiatomes d'hélium dans l'espace. Étant donné l’extrême difficulté à produire une particule d’antimatière plus complexe qu'un antiproton, les scientifiques d’AMS devront trier d’énormes quantités de données et réduire toutes les erreurs expérimentales encore davantage avant qu'une telle découverte ne puisse être établie.
La découverte d’antihélium, ou celle d’un excès d’antiprotons ou encore la résolution de l’énigme des positrons, tout cela vaut bien la peine d’attendre encore quelques années. AMS a du beau pain sur la planche!
Pauline Gagnon Pour en savoir plus sur la physique des particules et la matière sombre, consultez mon livre "Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels". Pour être au courant des nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline ou inscrivez-vous sur cette liste de distribution
