A la recherche de la matière noire…

Il a été proclamé ici et là que l’expérience AMS aurait détecté des traces de matière noire. Mais qu’est-ce que la matière noire ? Et comment peut-on la détecter ? Ethian Siegel astrophysicien travaillant à l’université de Portland anime un blog de renommée internationale start with a bang qui est une excellente ressource pour se tenir au courant des dernières péripéties de la science. Il m’a autorisé à traduire son article It’ll take a lot more than AMS to find Dark Matter (il en faudra bien plus qu’AMS pour trouver de la matière noire) :

L’expérience AMS mise en place sur l’ISS
Image credit: NASA, via the International Space Station.

« Sur quoi pouvons-nous maintenant porter nos espoirs pour résoudre les multiples énigmes qui existent toujours sur les origines et la composition des rayons cosmiques ?“ –Victor Francis Hess

Nous avons parcouru un chemin incroyablement long dans notre compréhension de l’Univers, mais il reste encore beaucoup de mystère à révéler. Au XIXème siècle, les scientifiques ont remarqué qu’il existait un excès d’ionisation dans la haute atmosphère qui ne pouvait être expliqué par le seul effet du Soleil ou de la Terre.

Victor Francis Hess — l’auteur de la citation ci-dessus — décida d’aller voir par lui-même ce qu’il en était et dirigea une série d’expérience en ballon pour aller au plus près des pièces du puzzle.

Image credit: American Physical Society.Victor Francis Hess
Image credit: American Physical Society.

Il y a 100 ans, Hess devint le découvreur des rayons cosmiques, ou particules de très hautes énergies dont l’origine est au-delà du système solaire. Depuis cette époque, de nombreuses avancées dans la compréhension des origines et de la production de ces particules ont été effectuées, tout comme dans la mesure de ce qui traverse l’espace interstellaire.

Image credit: Hillas 2006, preprint arXiv:astro-ph/0607109 v2, via University of Hamburg.Quantité et énergie du rayonnement cosmique
Image credit: Hillas 2006, preprint arXiv:astro-ph/0607109 v2, via University of Hamburg.

La plupart des particules à hautes énergies qui voyagent entre les étoiles sont des protons, particule très commune de l’univers que l’on trouve dans tous les noyaux des atomes. Ces rayons cosmiques s’étalent sur une large gamme d’énergie, allant des vitesse non-relativiste jusqu’à 1020 electron-Volts, soit environ 10 millions de fois plus que ce que le LHC – même à pleine puissance après les améliorations actuelles – pourra atteindre. Il y a aussi un petit nombre de rayons cosmiques d’électrons, suivi de traces de rayon d’anti-matière, incluant des positons (l’anti-particule correspondant à l’électron) et des anti-protons.

D’où proviennent toutes ces particules ? C’est là que ça devient intéressant !

Image credit: NASA, C. Burrows, J. Hester, J. Morse, ASU and STScI. Via Hubble.Matière éjectée par de jeunes étoiles
Image credit: NASA, C. Burrows, J. Hester, J. Morse, ASU and STScI. Via Hubble.

Il y a une quantité phénoménale de sources astrophysiques de rayonnement cosmique, aussi bien dans notre galaxie qu’au-delà. Cela va des jeunes étoiles entourées de poussières et de débris, des naines blanches et des étoiles à neutrons, jusqu’aux trous noirs, en passant par les étoiles type soleil, les supermassives et toute sorte d’étoiles entre les deux.

Certains rayons cosmiques proviennent clairement d’une source bien déterminé comme le pulsar au centre de la nébuleuse du crabe ci-dessous.

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La plupart ont toujours une origine inconnue, malgré les nombreuses hypothèses formulées par les astrophysiciens. L’anti-matière n’est pas un problème du tout; nous nous attendons à avoir de l’anti-matière dans les proportions mesurées. Tout comme lorsque l’on accélère des particules à hautes énergies en présence d’autres particules, il y a souvent des collisions qui produisent (par E=mc²) une quantité égale de matière et d’anti-matière. A basse énergie, il des paires d’électrons/positons sont produites, comme le fait le centre notre galaxie en abondance (ci-dessous). A haute énergie, les collisions produisent plutôt des paires de protons/anti-protons.

Image credit: J. Knödlseder (CESR) and SPI team, from the ESA's INTEGRAL observatory.
Le ciel vu à la radiation permettant de détecter les paires électrons/positons
Image credit: J. Knödlseder (CESR) and SPI team; the ESA’s INTEGRAL observatory.

Ca c’est pour le côté rayonnement cosmique.

Dans le même temps, il y a un autre puzzle dans l’univers : celui de la matière noire.

Image credit: ESA, NASA and the PLANCK science team.Taux de matière ordinaire (jaune), de matière noire (bleu) et d’énergie noire (violet),
avant et après Planck
Image credit: ESA and the PLANCK collaboration.

Grâce aux derniers résultats du satellite PLANCK, notre vision de l’univers a, une fois de plus, été confirmée : il y a un certain type de particule massive ne correspondant pas au modèle standard, que l’on appelle matière noire et qui est environ 5 fois plus abondante que toute la matière normale de l’univers dans sa totalité.

Il se trouve que, dans la plupart des modèles , la matière noire est son propre antiparticule. Cela veut dire qu’une collision entre deux particules de matière noire identique délivre une certaine quantité d’énergie. Cela peut être sous toute forme que la matière noire permet : photons, paires d’électrons/positons, paires de protons/antiprotons, etc. Bien que les expériences aient données un certain nombre de contrainte sur la masse des particules de matière noire et leurs interactions avec la matière, il reste à détecter directement de la matière noire -c’est pour cela qu’elle porte se nom : on sait qu’elle existe mais on ne l’a jamais vue.

Image credit: The XENON 100 collaboration, from 2012.Limites expérimentales pour la masse et le tauc d’interaction avec les nucléons des particules de matière noires (WIMP)
Image credit: The XENON 100 collaboration, from 2012.

Il est important, ici, de préciser que la matière noire peut avoir n’importe quelle masse comprise entre quelques micro-électron-Volts jusqu’à, en principe, 1024 electron-Volts (Note : l’électron-Volt est une unité d’énergie mais avec l’équivalence masse-énergie, les physiciens des particules parlent communément en eV pour les masses – un électron a une masse de 511 keV/c², le proton 938 MeV/c²). Nous nous focalisons dans les expériences sur des masses entre GeV (109) à TeV (1012) parce que c’est là que nous sommes le plus capable de les détecter ! C’est comme chercher ses clés sous le réverbère parce qu’on y voit clair, même si on les a perdu dans le caniveau.

Voyons, maintenant la dernière tentative de détection indirecte de la matière noire, le Spectromètre magnétique Alpha de la NASA.

Image credit: Ben Cooper of http://www.launchphotography.com/.Image credit: Ben Cooper of http://www.launchphotography.com/.

Lancé par la dernière missions spatiale de la navette spatiale Endeavour, le spectromètre magnétique Alpha (AMS) a été fixé à la station spatiale internationale, où il a été rapidement le plus sophistiqué et prolifique détecteur de rayon cosmique de tous les temps.

Image credit: NASA, from the International Space Station.Vue de AMS et de la station spatiale internationale (ISS)
Image credit: NASA, from the International Space Station.

Avec plus de 31 milliards de rayons cosmiques détectés, AMS nous donne une quantité phénoménale de données pour étudier les rayons cosmiques.

Cela inclue un large quantité de données sur l’antimatière également, incluant des positrons et des antiprotons en grand nombres. Les premiers résultats viennent d’être publiés et plutôt que de faire écho aux médias qui clame la découverte de la matière noire, nous allons essayer de comprendre un peu de vrai science.

Image credit: M. Aguilar et al. for the AMS collaboration, PRL 110, 141102 (2013).Schéma du principe de l’expérience AMS
Image credit: M. Aguilar et al. for the AMS collaboration, PRL 110, 141102 (2013).

On peut déterminer la charge d’une particule en la faisant traverser un champ magnétique et en mesurant la déviation de sa trajectoire. C’est ce que fait l’AMS, et sur les 25 milliards de rayons cosmiques détectés, 400 000 positons de diverses énergies ont été reconnus.

C’est une remarquable performance technique, et en mesurant l’énergie, la vitesse et la courbure de la trajectoire de ces particules, les scientifiques ont pu distinguer les positons des protons.

Image credit: M. Aguilar et al. for the AMS collaboration, PRL 110, 141102 (2013).Le pic à gauche correspond aux positon, celui de droite aux protons
Image credit: M. Aguilar et al. for the AMS collaboration, PRL 110, 141102 (2013).

Maintenant, voici la partie rigolote. En se basant sur ce que l’on sait en astrophysique, il y a plein de choses qui peuvent causer un excès de positons : les étoiles, les pulsars; les trous noirs, la matière noire qui s’annihile, des sources extragalactique, etc. La clé pour distinguer ces différentes sources est de comparer le spectre des positons à celui correspondant aux électrons et de chercher à localiser d’où proviennent les rayonnements cosmiques.

Tout d’abord, voyons, les résultats obtenus par AMS pour les positons, comparés à ceux obtenus par les expériences FERMI et PAMELA :

Image credit: M. Aguilar et al. for the AMS collaboration, PRL 110, 141102 (2013).Image credit: M. Aguilar et al. for the AMS collaboration, PRL 110, 141102 (2013).

Rien de bien nouveau ici, comme on peut le voir, ces résultats sont cohérents avec les résultats précédents. On n’observe pas non plus de discontinuité comme on pourrait s’y attendre avec la matière noire.

Un autre jeu de donnée qui n’a pas été présenté dans les résultats publiés est le spectre correspondant des électrons. Un signal correspondant à de la matière noire exhiberait une même bosse et discontinuité que dans le spectre des positons, phénomène que l’expérience FERMI n’a pas décelé jusqu’à des niveaux d’énergie de 1 TeV.

Au final, un signe de détection de la matière noire serait une forte concentration d’anomalie en direction du centre de la galaxie et de toutes les autres grosses galaxies observables, comme M87. Aucune preuve d’un tel phénomène n’existe dans les données AMS. Les données AMS témoignent d’une précision inégalée dans la mesure des spectres de rayonnement cosmique d’antimatière et il y a sûrement plein de choses à en tirer.

Image credit: M. Aguilar et al. for the AMS collaboration, PRL 110, 141102 (2013).« Même avec la précision extrême d’AMS, le spectre ne dévoile aucune structure fine »
Image credit: M. Aguilar et al. for the AMS collaboration, PRL 110, 141102 (2013).

Mais pas de matière noire, tout du moins avec ce que nous avons vu jusque là.

Encore une fois, en se basant sur ce qui a été présenté par AMS, il n’y a rien qui suggère que de la matière noire ait été détectée ou une quelconque preuve d’une particule de matière noire en dépit de ce qui a été proclamé dans les médias. Il faut rappeler que ce n’est pas toutes les expériences scientifiques que nous menons qui vont résoudre les énigmes et les mystères auxquels nous sommes confrontés. Ça n’est pas comme ça que la science fonctionne. Les grandes découvertes sont généralement cachées derrière des données faramineuses dont l’étude est longue et fastidieuse. La science fonctionne dans l’ombre, loin du battage médiatique. Il y a peut-être de la matière noire juste là, pas très loin et l’AMS est peut-être bien réglé pour la détecter mais nous n’avons rien vu pour l’instant et à moins de nouvelles données dans un autre domaine d’énergie, nous n’avons aucune raison de croire que nous en avons détecter ne serait-ce qu’une particule.

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