AMS, les antiprotons et la matière noire

15.04.2015 par Richard Taillet, dans matière noire

AMS est une expérience installée sur la station spatiale internationale, dont le but est de mesurer la composition des rayons cosmiques (des électrons, des protons, des noyaux atomiques, mais aussi de l'antimatière, positons et antiprotons, qui filent à grande vitesse dans l'espace) au-dessus de l'atmosphère terrestre. J'ai déjà eu l'occasion de mentionner certaines caractéristiques de la communication scientifique de cette expérience, ici. Ben voilà, ça recommence, ça m'agace. En deux mots, les responsables de cette expérience :

  1. viennent de rendre publics les derniers résultats concernant leurs mesures d'antiprotons dans les rayons cosmiques,
  2. les présentent comme "inexpliqués", en sous-entendant fortement que ça pourrait être un indice de la matière noire tant recherchée.

Je vais ici essayer de débobiner le raisonnement (et ses raccourcis) qui mènent de 1 à 2.

On a de fortes raisons de penser que notre Univers contient une grande quantité de masse sous une forme transparente, interagissant très peu avec la matière et avec la lumière. C'est la matière noire. On a aussi de bonnes raisons de penser qu'elle pourrait être constituée de particules élémentaires d'un type nouveau. Si c'est le cas, ces particules peuvent, quand parfois elles se collisionnent entre elles, produire une réaction qui crée des électrons, des positons, des protons, des antiprotons, etc. Du coup, si on observe un excès d'un de ces types de particules dans l'espace, on peut soupçonner d'avoir repéré des sous-produits de matière noire.

C'est un jeu difficile, car le mot "excès" sous-entend qu'on sait exactement quelle quantité de particules on aurait dû observer. Dans notre environnement, les électrons et les protons sont partout, et tout excès dû à la matière noire serait complètement noyé, insignifiant, indétectable. L'attention est donc plutôt portée vers des particules plus rares : l'antimatière. On connaît de multiples processus qui peuvent produire de l'antimatière dans l'espace, en particulier les réactions nucléaires entre les protons des rayons cosmiques qui percutent à grande allure des protons au repos (« ohhhh mais regardez où vous allez, à la fin !! »). On appelle ça des spallations, et je vous invite fortement à placer ce mot au cours de votre prochaine conversation mondaine.

Bref, on connaît des processus naturels qui permettent de rendre compte de la présence de positons et d'antiprotons dans l'espace. Tout la question est : combien ? Pour y répondre, il faut mêler plusieurs ingrédients :

  • la quantité précise de protons véloces susceptibles de percuter les protons au repos, en tout point de notre galaxie (ce sont les protons contenus dans les rayons cosmiques) ;
  • la quantité précise de protons au repos, partout dans notre galaxie (sous forme de gaz interstellaire) ;
  • les propriétés des réactions nucléaires entre ces deux bestioles ;
  • la façon dont les positons et les antiprotons éventuellement produits se propagent jusqu'à la Terre, une fois produit à Pétaouchnoc-sur-MilkyWay (ce sont des particules chargées et leur propagation est extrêmement sensible au champ magnétique qui règne dans la Galaxie, lequel n'est pas connu avec précision).

Les chercheurs d'AMS ont calculé la quantité d'antiprotons attendus et obtiennent des valeurs inférieures à celle qu'ils ont mesurée, à haute énergie. L'excès pourrait être dû à la matière noire. Un excès avait déjà été observé pour les positons, il y a quelques années (à l'époque, la quantité d'antiprotons observée semblait en accord avec les calculs, ce qui rendait peu crédible l'explication "matière noire" pour l'excès de positons : la matière noire devrait donner des positons et des antiprotons).

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Voici la logique de l'annonce récente, très intéressante dans les grandes lignes. Il manque toutefois un élément crucial, que les responsables d'AMS connaissent pourtant parfaitement : les quatre ingrédients qui interviennent dans le calcul des quantités attendues (celles par rapport auxquelles on peut définir un excès ou non)  font intervenir des incertitudes importantes, tant théoriques qu'expérimentales, des modélisations, sur lesquelles les experts du domaine (dont je fais partie) ne s'accordent pas forcément. Du coup, ces experts bondissent quand ils lisent par exemple (ici) que « Pre-existing models of ordinary cosmic rays cannot explain the AMS results ». Il n'y a pas de « pre-existing model ». Il y a bien un logiciel très performant, bien distribué (GALPROP), utilisé par beaucoup d'expérimentateurs du domaine pour obtenir des ordres de grandeur grossiers, mais qui repose sur une modélisation particulière et simplifiée de chacun des quatre points précédents. Pour des travaux de précision, il faut confronter des modélisations diverses, explorer l'influence d'un grand nombre de paramètres. Il me semble donc très prématuré de parler d'« excès » à ce stade ou plus précisément, s'il y a excès, c'est par rapport à la courbe pointillée représentée sur la figure ci-dessus, dont je ne suis pas sûr qu'elle ait énormément de sens ou d'intérêt (j'aurais vraiment aimé voir, par exemple, le prolongement de cette courbe pointillée vers les basses énergie, c'est curieux qu'elle ne commence qu'au milieu du graphe, non ?).

Les observations d'AMS sont importantes, surprenantes, feront date, et donnent du travail aux théoriciens, mais il faut prendre garde à ne pas donner à une mesure plus de poids que ce qu'elle est : une mesure. Le pas suivant, que ce soit une remise en cause des théories actuelles ou une découverte de la matière noire, ne saurait être que le fruit de nombreux travaux, dont certains sont en cours. Des discussions, des désaccords, des confrontations, des collaborations, qui demanderont du temps.


6 commentaires pour “AMS, les antiprotons et la matière noire”

    • Richard Taillet Répondre | Permalink

      Si c'est le cas, c'en est une manifestation perverse : ça serait vraiment beaucoup mieux si ce résultat était publié, en fait... 😉

  1. patricedusud Répondre | Permalink

    Merci pour ectte précision mais je ne sais pas bien faire la différence entre "communication scientifique de cette expérience" que vous mentionnez et publication..... 🙂

    • Richard Taillet Répondre | Permalink

      OK : une « publication », c'est un document qui est passé devant un comité de lecture, des experts qui évaluent le travail puis un éditeur qui en autorise la publication. Du coup, les hypothèses doivent être exposées en détail, justifiées, etc. Là, montrer une courbe à une conférence, c'est aussi de la communication scientifique, mais ça ne passe devant rien d'autre qu'un comité interne à la collaboration, ça peut vite se rapprocher d'une opération publicitaire. Je ne dis pas que c'est le cas, spécifiquement, pour la nouvelle dont je traite dans ce billet, mais ça a pu l'être à d'autres occasions.

  2. patricedusud Répondre | Permalink

    Merci pour ces précisions mais où commence la maladie du "publish or perish". Je ne dis pas non plus que c'est le cas dans "la communication" dont vous parlez bien sûr. Je me souviens trop du ramdam qu'avait provoqué les fameux neutrinos supraluminiques....

  3. Diziet Sma Répondre | Permalink

    Bon,pour une fois qu'on a des trucs en plus dans une expérience par rapport à la théorie,je pense à la matière noire et manquante ou à l'energie tout aussi sombre et hypothétique,ne nous plaignons pas trop.....

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