On considère généralement qu’il n’existe pas d’astres constitués d’antimatière dans l’Univers observable. Toutefois, autant de matière que d’antimatière aurait dû être produite pendant le Big Bang, ce qui conduit les astrophysiciens à chercher depuis des décennies où cette antimatière pourrait être passée. Des chercheurs de l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP), du Cnrs à Toulouse, ont ainsi tout de même débusqué en rayons gamma des candidats au titre d’anti-étoile dans la Voie lactée.

Rappelons que, pour un astrophysicien ou un cosmologiste, la théorie du Big Bang affirme simplement que l’Univers observable était plus chaud, plus dense, et constitué d’un plasma de nucléons, d’électrons, de neutrinos et de photons sans atomes il y a entre 10 et 20 milliards d’années. Il n’est nullement question d’un temps zéro absolu et l’on n’est pas obligé d’admettre l’existence d’une densité infinie à ce moment-là. Il pourrait donc y avoir un pré-Big Bang ou bien des régions de l’espace suffisamment loin qui n’étaient ni en expansion ni avec un contenu similaire.

La théorie du Big Bang ainsi exposée est aussi solide que la rotondité de la Terre ou l’héliocentrisme. L’énergie noire et la matière noire pourraient très bien ne pas exister, cela ne la réfuterait nullement. Mais il faut bien dire que le modèle cosmologique standard est loin de répondre de façon complètement satisfaisante à toutes les questions cosmogoniques que l’on peut se poser sur le cosmos observable.

Il y a par exemple l’énigme de l’antimatière cosmologique.

Les protons, les neutrons, les atomes, d’où vient la matière ? Découvrez en animation-vidéo comment la matière est apparue il y a environ 13,7 milliards d’années. Des premiers noyaux d’hydrogène, encore appelés protons, aux noyaux plus lourds tels que le fer, différentes phases de l’histoire de l’Univers sont à l’origine de la création des éléments naturels présents sur Terre. Une animation-vidéo co-réalisée avec L’Esprit Sorcier. © CEA Recherche

Le modèle standard en physique des particules nous dit qu’à la « naissance » de l’Univers observable, si l’on suppose ce modèle valide, autant de particules de matière que d’antimatière auraient dû exister. La charge électrique se conserve, on ne peut donc pas créer des particules d’un signe de charge donné sans créer autant d’antiparticules de charge opposée de sorte que la somme totale des charges reste nulle. Enfin, il existe aussi une loi de conservation d’une quantité que l’on appelle le nombre baryonique, et qui n’est pas nul pour les protons et les neutrons, qui sont des baryons (les électrons et les neutrinos ne le sont pas). Il faudrait donc un modèle de baryogenèse pour expliquer pourquoi nous voyons des protons et quasiment pas d’antiprotons ou d’antineutrons sur Terre, dans le Système solaire et bien au-delà.

Des conditions générales pour expliquer pourquoi un peu plus de matière que d’antimatière aurait été produite pendant le Big Bang — alors que des parts égales de matière et d’antimatière se seraient annihilées à la fin du Big Bang laissant les photons du rayonnement fossile et également un fond diffus de neutrinos — ont été énoncées il y a plus de 50 ans par le célèbre physicien Andrei Sakharov. Elles font intervenir de la nouvelle physique qui échappe toujours jusqu’à présent aux expériences de laboratoire.

Mais il y a plus de 50 ans également, lorsque la théorie du Big Bang a commencé à être accréditée avec la découverte du rayonnement fossile, d’autres solutions à l’énigme de l’antimatière cosmologique avaient été avancées. On pouvait par exemple supposer que, pour des raisons inconnues, matière et antimatière avaient bien été produites en quantités égales globalement mais pas localement. Le cosmos observable était peut-être une sorte d’émulsion de matière et d’antimatière avec des régions majoritairement constituées de l’une ou de l’autre. Il y avait donc peut-être des anti-étoiles côtoyant des étoiles dans la Voie lactée, à moins que la différence ne soit notable qu’au niveau des galaxies, voire des amas de galaxies. Ces anti-étoiles devraient se comporter en tout point comme des étoiles, au signe de charge près, puisque les lois de la théorie quantique des champs relativistes nous disent que particules de matière et d’antimatière devraient avoir les mêmes propriétés.

Yves Sacquin, physicien au CEA, explique ce qu’est l’antimatière. À chaque particule de matière correspond une antiparticule symétrique. Les antiparticules n’existent pas dans la nature car, lorsqu’elles rencontrent leur particule symétrique, elles s’annihilent pour ne donner que des radiations. Le modèle du Big Bang prévoit qu’il se soit créé au tout début autant de matière que d’antimatière. Or, seule la matière est observable dans l’Univers. Où est passée l’antimatière ? C’est pour élucider ce mystère que la recherche fondamentale s’intéresse à l’étude de l’antimatière et à sa création pour essayer de voir si elle n’aurait pas des propriétés différentes des propriétés symétriques de la matière. Une vidéo co-réalisée avec L’Esprit Sorcier. © CEA Recherche

Des astrophysiciens de l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP1-CNRS/CNES/UT3 Paul Sabatier) viennent d’apporter une nouvelle pièce à ce débat, comme ils l’expliquent dans un article publié par la célèbre et très sérieuse Physical Review D et que l’on peut consulter en accès libre sur arXiv.

Simon Dupourqué, Luigi Tibaldo, et Peter von Ballmoos ont revisité des travaux et des idées dont une bonne présentation se trouve dans l’article écrit en 1976 par le célèbre et hélas défunt astrophysicien et cosmologiste Gary Steigman qui a été un des pionniers de l’énigme de l’antimatière en cosmologie ainsi que de la théorie de la nucléosynthèse primordiale. On lui doit aussi, avec ses collègues James Gunn et David Schramm, une prédiction spectaculaire (vérifiée) à partir de cette théorie concernant le nombre d’espèces de neutrinos légers dans l’Univers observable, une prédiction que l’on pouvait tester avec le Lep au Cern avec des collisions d’électrons et de positrons et en étudiant la désintégration du boson Z de la théorie électrofaible.

L’idée principale est la suivante (en supposant que la théorie de l’émulsion pour la matière et l’antimatière soit la bonne et pertinente à l’échelle d’une galaxie). En utilisant la théorie de l’accrétion sphérique de Bondi-Hoyle-Littleton avec de la matière interstellaire normale tombant sur la surface d’une anti-étoile sous l’effet de la gravitation, on peut calculer un flux caractéristique de rayons gamma produit par l’annihilation des protons avec les antiprotons de l’étoile. La signature résultante, la seule signalant une différence entre le comportement d’une anti-étoile et celui d’une étoile, pouvait être chassée dans la décennie d’observations faites avec le télescope gamma Fermi de la Nasa et qui est archivée.

Au final, 14 candidats au titre d’anti-étoiles ont été trouvés par les chercheurs. Statistiquement, en l’état, cela suggère qu’il pourrait donc exister environ une anti-étoile pour 300.000 étoiles dans la Voie lactée. Certaines seraient dans son disque mais il pourrait en exister dans son halo, notamment certains types d’anti-étoiles prédites par des scénarios de baryogenèse et qui seraient plus difficiles à découvrir en gamma mais dont l’existence est contrainte par des effets de micro-lentilles gravitationnelles.

Mais les chercheurs sont bien conscients des limites de cette interprétation car des pulsars et des trous noirs accrétant de la matière pourraient peut-être parfois produire une signature ressemblant à celle d’une anti-étoile.

Il est intéressant de se souvenir que, comme l’expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous, des anti-étoiles produiraient un flux d’anti-noyaux pouvant survivre un certain temps lors de leur voyage dans le milieu interstellaire sans rencontrer de matière normale. Ils seraient donc détectables dans le rayonnement cosmique primaire hors de l’atmosphère. Or le détecteur AMS à bord de l’ISS a peut-être découvert certains de ces anti-noyaux, ceux d’antihélium 3.

Toutefois, il faut savoir aussi que des arguments ont été donnés il y a des années dans le but de montrer que l’existence d’une émulsion d’antimatière conduirait tout de même à des rencontres bien trop fréquentes entre matière et antimatière dans l’Univers observable et donc à des émissions de rayons gamma que l’on n’observe pas.

On ne voit pas très bien non plus pourquoi matière et antimatière auraient formé une émulsion. On peut faire intervenir des effets d’antigravité en supposant que matière et antimatière se repoussent mais, dans ce cas-là, les anti-étoiles devraient repousser la matière du milieu interstellaire et pas produire une accrétion.

Reste que la chasse aux anti-étoiles reste stimulante et que l’on pourrait avoir des surprises. En son temps, le grand Harold Jeffreys avait nié la possibilité de la dérive des continents en avançant l’idée qu’aucune force n’existait en mesure de la produire…

Pour en savoir plus

Article de Laurent Sacco publié le 24/04/2017

Le détecteur de rayons cosmiques placé dans l’espace AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) aurait détecté quelques noyaux d’antihélium 3. Cela reste à confirmer mais si tel est le cas, cela pourrait signifier que des vestiges du Big Bang sous forme d’îlots voire de galaxies d’antimatière existent non loin de la Voie lactée. À moins qu’il ne s’agisse d’un produit de la désintégration de la matière noire

Monté sur la Station spatiale internationale depuis 2011, l’AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), qui a coûté une fraction notable du LHC, peut être considéré comme le Hubble des rayons cosmiques. Ce détecteur doté d’un aimant de plus de huit tonnes alimenté en électricité par les panneaux solaires de l’ISS a mesuré les masses et les charges d’environ 90 milliards de particules dans le flux de rayons cosmiques. Étant placé dans l’espace, il peut déterminer directement la nature du rayonnement primaire qui heurte les noyaux des atomes des hautes couches de l’atmosphère où ils créent des gerbes de particules secondaires qui sont étudiées au sol avec des détecteurs comme Auger en Argentine. Dans ce dernier cas, la tâche des physiciens n’est pas facile car ils doivent remonter aux caractéristiques des rayons cosmiques primaires en étudiant ces particules secondaires.

Depuis environ 20 ans, le prix Nobel de physique Samuel Ting, qui a été un des principaux initiateurs d’AMS, espère sans doute qu’il en décrochera un second avec ce détecteur car il est en théorie capable de mettre en évidence indirectement l’existence des particules de matière noire dans la Voie lactée. Plusieurs théories prolongeant naturellement le modèle standard en physique des particules, comme la supersymétrie, prédisent en effet que certaines particules de matière noire peuvent se désintégrer en donnant un excès de positrons et d’antiprotons dans notre Galaxie relativement aux quantités attendues, en se basant sur des processus astrophysiques conventionnels.

Malheureusement, jusqu’ici les résultats ont été plutôt décevants à cet égard, ou pour le moins ambigus. Un excès de positrons a bien été détecté mais on peut très bien l’expliquer pour le moment en postulant la présence d’un ou plusieurs pulsars, à proximité du Système solaire, émettant ces antiparticules de l’électron.

Mais depuis quelque temps, Ting laisse entendre que les membres de la collaboration AMS sont peut-être en train de découvrir un plus gros poisson que les fameuses particules de matière noire. Le détecteur aurait pris dans ses filets ce qui semble pour le moment être des antinoyaux d’hélium 3, c’est-à-dire deux antiprotons liés par la force nucléaire forte avec un antineutron (pour mémoire, l’hélium 4 que l’on connait bien sur Terre contient deux protons et deux neutrons). Or, si l’on peut naturellement expliquer la présence d’antiprotons et d’antineutrons dans le flux de rayons cosmiques, ils ne devraient pas être assez abondants pour se rencontrer et former un état lié de trois de ces antinucléons.

À première vue, il existe une solution simple à cette énigme. Cet antihélium proviendrait de poches d’antimatière dans l’univers. Mais si on explore en détail cette possibilité, les problèmes s’accumulent mais aussi les possibilités de révolutionner la physique.

Rappelons que d’après le modèle standard, lors du Big Bang, une égale quantité de matière et d’antimatière auraient dû être produites par le rayonnement primitif dans l’univers observable alors très dense et très chaud. Mais comme matière et antimatière s’annihilent quand une particule rencontre son antiparticule, il ne devrait plus exister que le rayonnement fossile aujourd’hui. Cette contradiction peut être éliminée si l’on suppose qu’un peu plus de matière a été produite que d’antimatière. C’est ce que prédisent certaines extensions du modèle standard, les GUT.

Une présentation de la mission AMS. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Karlsruhe Institute of Technology (KIT)

Il est possible aussi qu’antimatière et matière se soient simplement concentrées dans des régions différentes, un peu comme lorsque l’on mélange de l’huile et de l’eau sous forme d’émulsion. Mais par quel mécanisme se seraient-elles séparées ? Certains ont postulé l’existence d’une antigravité qui ferait que particule de matière et d’antimatière se repoussent comme le font les particules de charges opposées. Celle-ci est d’ailleurs traquée avec des expériences au Cern.

Cette théorie de l’émulsion a été testée depuis au moins les années 1970, à défaut d’avoir des preuves de l’existence de l’antigravité. Les chercheurs s’attendent dans ce cas à ce que les régions de matière et d’antimatière soient en contact à leur bordure et un important flux de rayons gamma en provenance de ces frontières devrait donc être visible. Mais rien de tel n’a été détecté dans notre Voie lactée, ce qui conduit donc à penser qu’antimatière et matière sont séparées au moins à l’échelle d’une galaxie. En fait, les observations sondant l’univers de plus en plus loin, l’absence du flux de rayons gamma conduit finalement à penser que si matière et antimatière forment une émulsion, c’est sur une échelle bien supérieure à quelques milliards d’années-lumière.

Il est donc difficile de prendre au sérieux l’idée qu’AMS a vraiment détecté des antinoyaux d’hélium 3. L’astrophysicien et cosmologiste Gregory Tarlé, professeur à l’université du Michigan à Ann Arbor, et qui étudie l’énergie noire, la matière noire et les sources de rayons cosmiques, est même plus que sceptique. Pour lui Ting se refuse simplement à admettre que le détecteur AMS a un problème et il cherche à gagner du temps et de l’argent pour poursuivre l’étude de ce rayonnement avec AMS, en espérant finalement découvrir des preuves de l’existence de la matière noire.

Il n’existe aucune publication concernant les quatre à cinq antiatomes d’hélium 3 qu’AMS aurait peut-être détectés mais si tel est bien le cas, il faut attendre un plus grand nombre de détections pour avoir un résultat solide. Ting compte probablement  dessus avant de publier un article à ce sujet. Mais comme il ne reste plus qu’une des quatre pompes pouvant servir à refroidir le détecteur et qu’il faudrait de l’argent pour réparer la dernière si elle venait à cesser de fonctionner, on peut comprendre que le prix Nobel cherche malgré tout à attirer l’attention.

Certains modèles de particules de matière noire particulièrement massives prévoient leur désintégration en quelques quarks, mais qui vont rapidement s’hadroniser, comme on dit, en donnant grâce à l’énergie de la désintégration bien d’autres quarks lesquels vont s’assembler pour produire des hadrons comme les protons et les neutrons. Des noyaux d’antideutérium et même d’antihélium pourraient donc se créer, bien qu’en quantités faibles, et survivre à un voyage à travers le milieu interstellaire dans la Galaxie.

À défaut d’avoir débusqué des galaxies d’antimatière proches de la nôtre, AMS pourrait donc bien avoir détecté indirectement la matière noire. Mais il ne reste plus que quelques années pour le prouver car l’ISS devrait être abandonnée en 2024.

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