De nouvelles découvertes jettent les bases de la recherche de matière noire

Beaucoup de choses suggèrent l’existence de la matière noire. La façon dont les galaxies se déplacent dans les amas galactiques, ou la vitesse à laquelle les étoiles tournent autour du centre d’une galaxie, aboutit à des calculs qui indiquent qu’il doit y avoir beaucoup plus de masse présente que ce que nous pouvons voir. Environ 85 % de notre Voie lactée, par exemple, est constituée d’une substance qui n’est pas visible et qui ne peut être détectée qu’en fonction de ses effets gravitationnels. À ce jour, il n’a toujours pas été possible de prouver directement l’existence de ce matériau.

Plusieurs modèles théoriques de matière noire prédisent qu’elle pourrait être composée de particules qui interagissent faiblement entre elles. Cela produit des noyaux d’antihélium-3, constitués de deux antiprotons et d’un antineutron. Ces noyaux sont également générés lors de collisions à haute énergie entre le rayonnement cosmique et la matière commune comme l’hydrogène et l’hélium, mais avec des énergies différentes de celles auxquelles on pourrait s’attendre dans l’interaction des particules de matière noire.

Dans les deux processus, les antiparticules proviennent des profondeurs de la galaxie, à plusieurs dizaines de milliers d’années-lumière de nous. Après leur création, une partie d’entre eux fait son chemin dans notre direction. Le nombre de ces particules qui survivent indemnes à ce voyage et atteignent le voisinage de la Terre en tant que messagers de leur processus de formation détermine la transparence de la Voie lactée pour les noyaux d’antihélium. Jusqu’à présent, les scientifiques n’ont pu estimer qu’approximativement cette valeur. Cependant, une meilleure approximation de la transparence, une unité de mesure du nombre et des énergies des antinoyaux, sera importante pour interpréter les futures mesures de l’antihélium.

L’accélérateur de particules LHC comme usine d’antimatière

Les chercheurs de la collaboration ALICE ont maintenant effectué des mesures qui leur ont permis de déterminer plus précisément la transparence pour la première fois. ALICE signifie A Large Ion Collider Experiment et est l’une des plus grandes expériences au monde à explorer la physique sur les plus petites échelles de longueur. ALICE fait partie du Large Hadron Collider (LHC) du CERN.

Le LHC peut générer de grandes quantités d’antinoyaux légers tels que l’antihélium. Pour ce faire, les protons et les atomes de plomb sont chacun mis sur une trajectoire de collision. Les collisions produisent des gerbes de particules qui sont ensuite enregistrées par le détecteur de l’expérience ALICE. Grâce à plusieurs sous-systèmes du détecteur, les chercheurs peuvent alors détecter les noyaux d’antihélium-3 qui se sont formés et suivre leurs traces dans le matériau du détecteur. Cela permet de quantifier la probabilité qu’un noyau d’antihélium-3 interagisse avec le matériau du détecteur et disparaisse. Les scientifiques de TUM et du pôle d’excellence ORIGINS ont contribué de manière significative à l’analyse des données expérimentales.

Galaxie transparente pour les antinoyaux

À l’aide de simulations, les chercheurs ont pu transférer les résultats de l’expérience ALICE à l’ensemble de la galaxie. Résultat : environ la moitié des noyaux d’antihélium-3 qui devaient être générés lors de l’interaction des particules de matière noire atteindraient le voisinage de la Terre. Notre Voie Lactée est donc perméable à 50% pour ces antinoyaux. Pour les antinoyaux générés lors de collisions entre le rayonnement cosmique et le milieu interstellaire, la transparence résultante varie de 25 à 90% avec l’augmentation de la quantité de mouvement de l’antihélium-3. Cependant, ces antinoyaux peuvent être distingués de ceux générés à partir de la matière noire en raison de leur énergie plus élevée.

Cela signifie que les noyaux d’antihélium peuvent non seulement parcourir de longues distances dans la Voie lactée, mais aussi servir d’informateurs importants dans les expériences futures : selon le nombre d’antinoyaux qui arrivent sur la Terre et avec quelles énergies, l’origine de ces messagers bien voyagés peut être interprétés comme des rayons cosmiques ou de la matière noire grâce aux nouveaux calculs.

Référence pour les futures mesures d’antinoyaux dans l’espace

“Il s’agit d’un excellent exemple d’analyse interdisciplinaire qui illustre comment les mesures dans les accélérateurs de particules peuvent être directement liées à l’étude des rayons cosmiques dans l’espace”, déclare la scientifique d’ORIGINS, la professeure Laura Fabbietti de la TUM School of Natural Sciences. Les résultats de l’expérience ALICE au LHC sont d’une grande importance pour la recherche d’antimatière dans l’espace avec le module AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) de la Station Spatiale Internationale (ISS). À partir de 2025, l’expérience de ballon GAPS au-dessus de l’Arctique examinera également les rayons cosmiques entrants pour l’antihélium-3.

Source de l’histoire :

Matériaux fourni par Université technique de Munich (TUM). Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.