Les positrons gardent encore leur secret

AMS

Grâce à l'expérience AMS pour la mesure du rayonnement cosmique, les astrophysiciens espèrent en découvrir plus sur la mystérieuse matière noire dont notre univers doit être gorgé mais dont la nature demeure inexpliquée. Les derniers résultats de l'expérience AMS ne fournissent pas encore de découverte décisive, mais ils apportent, avec la participation de l'université de Genève, un aperçu dans le rayonnement cosmique d'une précision inconnue jusqu'à présent.

Le Alpha Magnetic Spectrometer.
Image : AMS-Kollaboration

Le scénario pourrait être celui d'un film de 'science fiction' : la terre est bombardée depuis l'univers et ce, pas seulement à tout moment mais également de toute part. Les auteurs de ce scénario ne doivent pourtant pas se l'imaginer car il s'agit depuis longtemps de la réalité. La terre est en effet bombardée en permanence et de toute part. Les projectiles proviennent du soleil, de la voie lactée ainsi que de l'extérieur de la voie lactée. Les projectiles n'ont toutefois pas été tirés par de terribles guerriers de l'espace. L'origine de ces bombardements, les physiciens des particules parlent de rayonnement cosmique, reste aujourd'hui encore une question sans réponse.

Mesures depuis trois années

L'Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) devrait maintenant pouvoir fournir une explication. L'AMS est un détecteur de particules installé en 2011 sur la station spatiale internationale ISS avec pour objectif de mesure le rayonnement cosmique. Depuis, cet appareil a permis d'enregistrer 41 milliards de particules du rayonnement cosmique. La plupart d'entre elles étaient des protons. Pour 10 millions, il s'agissait en revanche d'électrons ou de positrons. Ces derniers sont les antiparticules des électrons. Ils ont donc la même masse que les électrons mais une charge opposée.

Les électrons et positrons enregistrés sont particulièrement intéressants pour les chercheurs de l'AMS. Selon une théorie astrophysique actuelle, si les positrons apparaissent fréquemment dans le rayonnement cosmique, ils pourraient provenir de la matière noire. Il ne s'agirait pas moins d'une sensation si la matière noire pouvait être décelée par la nature des particules. Les physiciens d'aujourd'hui postulent sur l'existence de la matière noire car sans cette matière, les mouvements du ciel étoilé ne pourraient pas s'expliquer. Mais il manque aujourd'hui encore la preuve expérimentale des particules que la matière noire contient.

Les positrons comptent

C'est précisément cette preuve que l'expérience AMS pourrait apporter dans le meilleur des cas. Pour cela, le détecteur mesure le nombre de positrons dans le rayonnement cosmique en relation avec l'énergie. Les mesures effectuées jusqu'à présent par l'AMS montrent que le rapport entre les positrons et la somme des électrons et des positrons dans le rayonnement cosmique augmente d'abord avec l'énergie croissante puis que cette croissance ralentit ensuite lentement. Comme le montrent les derniers résultats AMS présentés au milieu du mois de septembre 2014 à l'occasion d'un séminaire au CERN, à partir d'une énergie de 275 Giga électronvolt (GeV), l'énergie des positrons n'augmente plus.

“ La question décisive reste à savoir comment le rapport entre les positrons et la somme des électrons et des positrons se développe avec une énergie supérieure à 275 GeV ”, affirme le professeur de physique Martin Pohl qui participe à l'expérience AMS pour l'université de Genève. Si le rapport ralentit ensuite brusquement, cela appuierait la théorie que le couple électron-positron a son origine dans l'auto-annihilation de la matière noire. Si en revanche, le rapport ne baisse pas brusquement avec des énergies supérieures à 275 GeV mais par étapes, une autre explication passe au premier plan : dans ce cas, le couple électron-positron ne proviendrait pas de la matière noire mais serait probablement l'expression d'un phénomène astrophysique encore inconnu : le couple électron-positron pourrait alors avoir son origine dans les énormes champs magnétiques à proximité de pulsars (étoiles à neutrons à rotation rapide).

Mise en évidence délicate

“ Avant de savoir comment le rapport entre les positrons et la somme des électrons et positrons dans le rayonnement cosmique se développe concrètement avec des énergies supérieures à 275 GeV, il peut se passer un certain temps car apporter des preuves sur cette plage énergétique est un processus très long ", souligne Pohl. Le physicien des particules montre toutefois clairement que d'autres mesures pourraient peut-être résoudre l'énigme. Si nous pouvons prouver, par exemple, que les positrons sont plus ou moins nombreux selon leur direction d'incidence, ou que leur nombre varie au fil du temps, cela pourrait indiquer que les positrons pourraient être apparus à proximité de pulsars. " Le suspens reste entier ", résume Pohl.

Même si la sensation scientifique de l'expérience AMS se fait encore attendre, Martin Pohl est ravi des derniers résultats de l'AMS : “ Les derniers résultats valident de façon saisissante ce que nous avons conclu des premières données AMS il y a un an : il existe une nouvelle source d'électrons et de positrons au sein ou autour de la voie lactée qui génère les deux particules avec une énergie (seuil) caractéristique de quelques centaines de GeV. Ceci est désormais prouvé par la mesure séparée des spectres d'électrons et de positrons ; la somme des deux spectres qui est plus facile à mesurer, le prouve également. "

Participation essentielle de l'université de Genève

L'université de Genève est le seul institut de physique suisse qui participe aujourd'hui à la collaboration internationale de 14 états et d'environ 600 chercheuses et chercheurs sous la direction du prix Nobel Samuel Ting. Ce faisant, le groupe AMS de Genève se concentre sur deux thèmes : sur les variations temporelles du débit des particules et sur les spectres des lourds noyaux de l'hélium. Dans le passé, les physiciens de Genève ont participé de manière décisive à la construction du spectromètre qui forme le cœur du détecteur AMS. L'ETH de Zurich a participé en premier aux travaux mais a quitté la collaboration AMS entretemps.

Benedikt Vogel (publié le 13. 10. 2014)

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