Des expériences au collisionneur de particules du CERN suggèrent que les particules d’antihélium créées par la matière noire dans l’espace lointain pourraient atteindre la Terre.

Physique


12 décembre 2022

La matière noire pourrait produire de l’antimatière avec des énergies suffisamment élevées pour traverser la galaxie

sakkmesterke/Alay

L’antimatière provenant d’endroits lointains devrait être difficile à trouver. Il s’annihile lorsqu’il rencontre de la matière régulière, et plus il traverse d’espace, plus il y a de chances que ces particules se terminent. Mais une expérience dans un collisionneur de particules suggère que certaines particules d’antimatière peuvent traverser notre galaxie sans être détruites.

Dans l’espace, on pense que la version antimatière des noyaux d’atomes d’hélium, les noyaux d’antihélium, se forme lorsque les rayons cosmiques entrent en collision avec des atomes flottants. Les théories suggèrent qu’ils surviennent également lorsque des particules de matière noire, une substance mystérieuse qui remplit la majeure partie de l’univers, s’annihilent. Si des antinoyaux produits lors de telles annihilations sont détectés, ils pourraient révéler de nouvelles propriétés de la matière noire.

Stefan Königstorfer à l’Université technique de Munich en Allemagne et des collègues du Large Hadron Collider (LHC) voulaient voir si les antinoyaux créés dans l’espace pouvaient atteindre intacts les détecteurs dans le voisinage de la Terre.

Tout d’abord, ils ont mesuré combien de noyaux d’antihélium sont détruits lorsqu’ils heurtent la matière normale à l’intérieur d’un collisionneur de particules. À l’aide du détecteur ALICE du laboratoire de physique des particules du CERN en Suisse, ils ont analysé des collisions de protons de très haute énergie et d’atomes chargés, qui ont produit des noyaux d’hélium et des noyaux d’antihélium. Les deux devaient être produits en nombre égal. Les chercheurs ont donc compté le nombre de noyaux survivants pour déduire le nombre d’antinoyaux qu’ils ont annihilés contre l’acier, le carbone et d’autres matériaux qui composent le détecteur ALICE (A Large Ion Collider Experiment).

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Königstorfer dit qu’ils ont utilisé cette « probabilité de disparition » dans une simulation informatique de l’antimatière voyageant vers la Terre depuis l’espace lointain, comme le centre de notre galaxie. Des simulations d’antinoyaux créés par la matière noire ont montré qu’environ la moitié de ces particules seraient détectables près de la Terre indemnes, même après avoir parcouru des milliards de billions de kilomètres.

Les chercheurs ont également simulé la création d’antinoyaux par les rayons cosmiques, qui sont théoriquement formés à moins d’endroits dans l’univers et généralement avec des énergies plus élevées que celles créées par la matière noire. Ils ont découvert que seuls les plus énergiques d’entre eux arriveraient sur Terre en grand nombre.

Cela montre que tous les noyaux d’antihélium à basse énergie que nous détectons sur Terre sont susceptibles de provenir de la matière noire, dit-il. Jonas Tjemsland à l’Université norvégienne des sciences et technologies.

« Cette expérience indique que si un objet astrophysique produit pour une raison quelconque de l’antihélium, nous pouvons le détecter près de la Terre avec des détecteurs standard. Et le rapport signal sur bruit sera très élevé pour la matière noire », dit-il. Tim Linden à l’Université de Stockholm en Suède.

Comprendre comment les antinoyaux interagissent avec la matière interstellaire fait partie du puzzle, mais le LHC pourrait également étudier comment ils se forment, dit-il. Parfum Stefano à l’Université de Californie, Santa Cruz. Il dit que mieux comprendre cela pourrait aider les chercheurs à affiner les théories sur la matière noire.

Königstorfer et ses collègues planifient maintenant de telles expériences. L’expérience Alpha Magnetic Spectrometer sur la Station spatiale internationale pouvait déjà détecter des antinoyaux, et un autre détecteur, Spectromètre antiparticule généraltransporté en ballon au-dessus de l’Antarctique, il sera bientôt lancé.

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Référence magazine : La nature, DOI : 10.1038/s41567-022-01804-8

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