Les particules d’antimatière telles que les positrons et les antiprotons abondent dans le cosmos. Beaucoup plus rares sont les antinoyaux légers, composés d’antiprotons et d’antineutrons, qui peuvent être produits dans notre Galaxie par des collisions de rayons cosmiques à haute énergie avec le milieu interstellaire ou qui pourraient également provenir de l’annihilation de particules de matière noire encore inconnues. Sur Terre, le seul moyen de produire et d’étudier les antinoyaux avec une grande précision est de les créer dans des accélérateurs de particules à haute énergie comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Bien que les propriétés des antiparticules élémentaires aient été étudiées en détail, les connaissances sur l’interaction des antinoyaux légers avec la matière sont plutôt limitées. Dans une nouvelle recherche, les physiciens de la collaboration ALICE au LHC se sont concentrés sur la détermination de la probabilité de disparition de l’antihélium-3 lorsqu’il rencontre des particules de matière et s’annihile ou se désintègre.
Une impression d’artiste de l’étude ALICE sur la transparence de la Voie lactée à l’antimatière. Crédit image : ORIGINS Cluster, Université technique de Munich.
“Pour savoir si la matière noire est à l’origine d’éventuelles détections d’antinucléaires légers depuis l’espace, nous devons déterminer le flux d’antinucléaires légers qui devrait atteindre la Terre proche où se déroulent ces expériences”, expliquent les membres de la collaboration ALICE.
“Ce flux dépend de caractéristiques telles que le type exact de source d’antimatière dans notre Galaxie et la vitesse à laquelle elle produit des antinoyaux, mais aussi de la vitesse à laquelle les antinoyaux devraient ensuite disparaître par annihilation ou absorption lorsqu’ils rencontrent de la matière normale au cours de leur voyage vers la Terre.”
“C’est sur ce dernier point qu’intervient la nouvelle étude d’ALICE.”
En étudiant comment les noyaux d’antihélium 3 produits lors de collisions d’ions lourds et de protons au LHC interagissent avec le détecteur ALICE, les physiciens ont pu mesurer, pour la première fois, la vitesse à laquelle les noyaux d’antihélium 3 disparaissent lorsqu’ils rencontrent la matière normale.
Dans cette analyse, le matériau du détecteur ALICE sert de matière normale avec laquelle les antinucléus interagissent.
Ensuite, les chercheurs ont incorporé le taux de disparition obtenu dans un programme informatique accessible au public appelé GALPROP, qui simule la propagation des particules cosmiques, y compris les antinoyaux, dans la Voie lactée.
Ils ont considéré deux modèles du flux de noyaux d’antihélium 3 attendu près de la Terre après le voyage des noyaux depuis des sources dans la Galaxie.
Un modèle suppose que les sources sont des collisions de rayons cosmiques avec le milieu interstellaire, et l’autre les décrit comme des particules hypothétiques de matière noire appelées particules massives à faible interaction (WIMP).
Pour chaque modèle, les auteurs ont ensuite estimé la transparence de la Voie lactée aux noyaux d’antihélium 3, c’est-à-dire la capacité de la Galaxie à laisser passer les noyaux sans les absorber.
Pour ce faire, ils ont divisé les flux obtenus avec et sans disparition des antinucléaires.
Pour le modèle de la matière noire, l’équipe a obtenu une transparence d’environ 50%, alors que pour le modèle des rayons cosmiques, la transparence variait de 25% à 90% en fonction de l’énergie de l’antinoyau.
Ces valeurs de transparence montrent que les noyaux d’antihélium 3 provenant de la matière noire ou de collisions de rayons cosmiques peuvent parcourir de longues distances – de plusieurs kiloparsecs – dans la Voie lactée sans être absorbés.
“Nos résultats montrent, pour la première fois sur la base d’une mesure d’absorption directe, que les noyaux d’antihélium-3 provenant d’aussi loin que le centre de notre Galaxie peuvent atteindre des endroits proches de la Terre”, a déclaré le Dr Andrea Dainese, physicien à l’Institut national de physique nucléaire d’Italie et coordinateur de la physique d’ALICE.
“Nos résultats démontrent que la recherche de noyaux légers d’antimatière depuis l’espace reste un moyen puissant de traquer la matière noire”, a ajouté le Dr Luciano Musa, porte-parole de la collaboration ALICE.
“C’est un excellent exemple d’analyse interdisciplinaire qui illustre comment les mesures effectuées dans les accélérateurs de particules peuvent être directement liées à l’étude des rayons cosmiques dans l’espace”, a déclaré le professeur Laura Fabbietti, physicienne à l’Université technique de Munich et membre de la collaboration ALICE.
“Les résultats de l’expérience ALICE sont d’une grande importance pour la recherche d’antimatière dans l’espace avec le module AMS-02 (Spectromètre magnétique Alpha) de la Station spatiale internationale (ISS).”
“À partir de 2025, l’expérience GAPS en ballon au-dessus de la station spatiale internationale sera lancée.l’Arctique examinera également les rayons cosmiques entrants à la recherche d’antihélium 3.”
Les résultats sont publiés dans le journal Nature Physics.
