2013: Détecteur AMS de l'ISS : Découverte d'antimatière

Au premier plan, l'Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) installés expérience lors de la mission STS-134. Crédit: NASA

Vue du détecteur de particules AMS, installé à l'extérieur de la station spatiale internationale en 2011. Crédits photo : NASA
Un détecteur de particules monté sur la station internationale a détecté une abondance inattendue d‘antiélectrons qui pourrait être la première trace de matière noire dans l'univers.


«Nos mesures avec le détecteur AMS installé sur la station spatiale internationale montrent sans l'ombre d'un doute qu'il existe des sources inconnues d'antimatière dans l'univers», résume Sylvie Rosier-Lees, physicienne au Laboratoire d'Annecy-le-vieux de physique des particules et chef de projet AMS-France. Un résultat spectaculaire présenté cet après-midi au Cern à Genève par le prix Nobel américain Samuel Ting, porte-parole de l'expérience internationale AMS. Ces premières mesures ont été publiées dans la revue Physical Review Letters.

L'annonce était très attendue puisque cette antimatière (des particules «miroirs», qui ont des charges opposées aux particules qui composent la matière classique) ne peut avoir été produite que par «une physique exotique», d'une nature nouvelle jamais observée sur Terre.
L'explication qui tient la corde serait même une révolution à la fois pour la physique et pour la cosmologie, puisqu'il pourrait s'agir des premières traces de la matière noire, ce mystérieux composant qui compose plus de 25 % de l'univers, recherché sans succès depuis des décennies. Mais les données sont encore insuffisantes pour pouvoir exclure l'autre source possible: des pulsars, des étoiles à neutrons ultra-compactes issues de l'effondrement d'étoiles massives.

Flux de rayons cosmiques

Depuis son installation à l'extérieur de l'ISS en mai 2011, l'instrument AMS a déjà détecté plus de 30 milliards de particules de rayons cosmiques, dont 400 000 sont des positrons, l'antiparticule de l'électron, qui a la même masse que lui mais avec une charge positive. Ces antiparticules sont extrêmement rares et difficiles à détecter, car dès qu'elles rencontrent une particule «classique», elle s'annihilent mutuellement en transformant toute leur masse en énergie.

Avant les résultats d'AMS, ont savait que les collisions entre des rayons cosmiques très énergétiques et des particules du milieu interstellaire peuvent parfois provoquer des désintégrations donnant naissance à des positrons. Ce flux d'antimatière a bien été détecté par AMS, comme le détecteur de rayons cosmiques italien PAMELA installé à bord d'un satellite russe l'avait fait en 2008. Mais, comme PAMELA, AMS a surtout détecté bien plus de positrons que ce qui était prévu par la théorie.
Normalement, le nombre de positrons aurait dû décroître au fur et à mesure que leur énergie augmente. Or ce que voit AMS depuis 18 mois, avec une sensibilité et une précision bien meilleures que PAMELA avant lui, c'est que la courbe d'abondance des positrons marque un rebond très surprenant au delà de l'énergie de 10 GeV (giga-eV, soit milliards d'électron-volts) jusqu'à 250 GeV. «C'est cet excès très clair de positrons qui nous indique qu'il existe d'autres sources d'antimatière, dites primaires car il ne peut pas s'agir de la désintégration secondaire de rayons cosmiques», explique Sylvie Rosier-Lees.

Un doute levé dans les mois qui viennent

Seule la théorie physique de la supersymétrie réussit à expliquer exactement les observations faites sur l'ISS, en faisant intervenir des collisions de particules de matière noire qui produisent des positrons de hautes énergies. Ces particules inconnues, recherchées sans succès par les physiciens depuis des décennies porteraient le nom de WIMPS, acronyme anglais de «particules massives interagissant faiblement». Comme leur nom l'indique, elles interagissent peu avec la matière et seraient donc très difficiles à détecter, même si elles sont cinq fois plus abondantes dans l'univers que la matière classique.

Le flux de positrons enregistré par AMS ne varie pas dans le temps et est uniforme dans toutes les directions du ciel. «Dans les mois qui viennent, AMS va être capable de dire avec certitude si ces positrons sont un signal de la matière noire, ou s'ils ont une autre origine,» a affirmé Samuel Ting. La théorie de la supersymétrie prédit en effet que le flux d'antiparticules doit décroître très fortement au delà de 250 GeV, une zone d'énergie où AMS n'a pas encore détecté assez d'événements pour lever le doute.