L’un des grands défis de la cosmologie moderne est de révéler la nature de la matière noire. Nous savons qu’elle existe (elle constitue plus de 85 % de la matière de l’univers), mais nous ne l’avons jamais vue directement et ne savons toujours pas de quoi il s’agit.
Une étude publiée dans le Journal de cosmologie et de physique des astroparticules a examiné des traces d’antimatière dans le cosmos qui pourraient révéler une nouvelle classe de particules jamais observées auparavant, appelées WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), qui pourraient constituer la matière noire.
L’étude suggère que certaines observations récentes d’« antinoyaux » dans les rayons cosmiques sont cohérentes avec l’existence de WIMP, mais aussi que ces particules pourraient être encore plus étranges qu’on ne le pensait auparavant.
« Les WIMP sont des particules théorisées mais jamais observées, et elles pourraient être les candidates idéales pour la matière noire », explique Pedro De la Torre Luque, physicien à l’Institut de physique théorique de Madrid.
Il y a quelques années, la communauté scientifique saluait un « miracle ». Les WIMP semblaient répondre à toutes les exigences de la matière noire, et on pensait – une fois qu’on avait « imaginé » ce qu’ils pouvaient être et comment ils pouvaient être détectés – que d’ici quelques années nous aurions la première preuve directe de leur existence.
Au contraire, les recherches menées ces dernières années ont conduit à l’exclusion de classes entières de ces particules, en raison de leurs émissions particulières. Aujourd’hui, même si leur existence n’a pas été totalement exclue, l’éventail des types possibles de WIMP s’est considérablement réduit, tout comme les méthodologies permettant de tenter de les détecter.
« Parmi les nombreux modèles proposés les mieux motivés, la plupart ont été écartés aujourd’hui et seuls quelques-uns d’entre eux survivent aujourd’hui », explique De la Torre Luque.
Une découverte récente semble cependant avoir rouvert le dossier. « Ce sont quelques observations de l’expérience AMS-02 », explique De la Torre Luque. AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) est une expérience scientifique à bord de la Station spatiale internationale qui étudie les rayons cosmiques. « Les responsables du projet ont révélé avoir détecté des traces d’antinoyaux dans les rayons cosmiques, notamment d’antihélium, ce à quoi personne ne s’attendait. »
Pour comprendre pourquoi ces antinoyaux sont importants pour les WIMP et la matière noire, il faut d’abord comprendre ce qu’est l’antimatière.
L’antimatière est une forme de matière avec une charge électrique opposée à celle des particules de matière « normales ». La matière ordinaire est constituée de particules ayant une charge électrique négative, comme les électrons, une charge positive (protons) ou une charge neutre.
L’antimatière est composée de particules « miroirs » de charges opposées (un électron « positif », le positon, un proton « négatif », etc.). Lorsque la matière et l’antimatière se rencontrent, elles s’annihilent en émettant un puissant rayonnement gamma.
Dans l’univers, composé en très grande majorité de matière normale, il existe une petite quantité d’antimatière, parfois plus proche qu’on pourrait le penser, étant donné que les positons sont utilisés comme agents de contraste pour le TEP, l’examen d’imagerie médicale que certains d’entre vous ont pu subir.
Une partie de cette antimatière s’est formée – selon les scientifiques – pendant le Big Bang, mais une plus grande quantité est constamment créée par des événements spécifiques, ce qui la rend très importante à observer. « Si vous constatez la production d’antiparticules dans le milieu interstellaire, là où vous en attendez très peu, cela signifie que quelque chose d’inhabituel se produit », explique De la Torre Luque. « C’est pourquoi l’observation de l’antihélium était si excitante. »
Ce qui produit les noyaux d’antihélium observés par AMS-02 pourrait en effet être des WIMP. Selon cette théorie, lorsque deux particules WIMP se rencontrent, dans certains cas, elles s’annihilent, ce qui signifie qu’elles se détruisent mutuellement, émettant de l’énergie et produisant à la fois des particules de matière et d’antimatière.
De la Torre Luque et ses collègues ont testé certains modèles WIMP pour voir s’ils sont compatibles avec les observations.
L’étude a confirmé que certaines observations d’antihélium sont difficiles à expliquer par des phénomènes astrophysiques connus.
« Les prédictions théoriques suggèrent que, même si les rayons cosmiques peuvent produire des antiparticules par interaction avec les gaz du milieu interstellaire, la quantité d’antinoyaux, en particulier d’antihélium, devrait être extrêmement faible », explique De la Torre Luque.
« Nous nous attendions à détecter un événement d’antihélium tous les quelques dizaines d’années, mais la dizaine d’événements d’antihélium observés par AMS-02 sont de plusieurs ordres de grandeur supérieurs aux prédictions basées sur les interactions standards des rayons cosmiques. C’est pourquoi ces antinoyaux sont un indice plausible. à l’anéantissement des WIMP. »
Mais il y en a peut-être plus. Les noyaux d’antihélium observés par AMS-02 sont constitués de deux isotopes distincts (le même élément, mais avec un nombre variable de neutrons dans le noyau), l’antihélium-3 et l’antihélium-4. L’Antihélium-4, en particulier, est beaucoup plus lourd et aussi beaucoup plus rare.
Nous savons que la production de noyaux plus lourds devient de plus en plus improbable à mesure que leur masse augmente, notamment à cause de processus naturels impliquant les rayons cosmiques. C’est pourquoi en voir un si grand nombre est un signe d’avertissement.
« Même dans les modèles les plus optimistes, les WIMP ne pourraient expliquer que la quantité d’antihélium-3 détectée, mais pas d’antihélium-4 », poursuit De la Torre Luque, et cela nécessiterait d’imaginer une particule (ou une classe de particules) encore plus étrange que le WIMPs proposés jusqu’à présent, ou dans le jargon technique, encore plus « exotiques ».
Ainsi, l’étude de De la Torre Luque et de ses collègues indique que la voie vers les WIMP n’est pas encore fermée. De nombreuses observations plus précises sont désormais nécessaires, et nous devrons peut-être élargir ou adapter le modèle théorique, en introduisant peut-être un nouveau secteur sombre dans le modèle standard des particules connues à ce jour, avec de nouveaux éléments « exotiques ».
Plus d’informations :
Pedro De La Torre Luque et al, Les modèles de propagation des rayons cosmiques élucident les perspectives de détection des antinucléi, Journal de cosmologie et de physique des astroparticules (2024). Sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2404.13114