juillet 1999

Existe-t-il un Univers d'antimatière ? Peut-on détecter la matière noire ? C'est pour tenter de répondre à ces grandes interrogations qu'un prototype d'AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) a été embarqué à bord de la navette DISCOVERY du 2 au 12 juin 1998. AMS est une collaboration internationale (Allemagne, Chine, Espagne, Etats-Unis, Finlande, France, Italie, Portugal, Suisse, Taiwan). Le département américain de l'Energie (DoE) parraine l'opération avec la NASA qui fournit la logistique des lancements. La phase finale aura lieu sur la Station Spatiale Internationale. En France, deux équipes* du CNRS ont contribué à la réalisation du projet en participant à la construction du compteur Cherenkov à seuil et à l'analyse des données.

Pour la première fois, un spectromètre de particules semblable à ceux qui sont utilisés autour des accélérateurs, en orbite à 400 km au-dessus de la Terre, a pu enregistrer la trace de millions de particules cosmiques. L'analyse des informations collectées révèle un comportement inattendu des particules subnucléaires dans le proche environnement terrestre, en particulier leur réaction au champ magnétique terrestre en fonction de la latitude. Tout se passe comme si elles étaient confinées dans un grand tore magnétique autour de l'Équateur.

L'espace galactique est peuplé de particules cosmiques, probablement libérées dans les explosions d'étoiles éloignées. Il est très difficile d'observer ces particules à partir de la Terre à cause de l'écran opaque que forme l'atmosphère. AMS a donc permis l'observation des rayons cosmiques au-dessus de cet écran protecteur.

Pendant sa course autour de la Terre, AMS a pu étudier les rayons cosmiques arrivant à différentes latitudes à proximité de la Terre. Le champ magnétique est supposé repousser les particules les moins énergétiques arrivant autour de l'Equateur. Cet effet du champ magnétique terrestre, appelé coupure géomagnétique, devient moindre aux hautes latitudes, ce qui signifie qu'il y a plus de particules à faible énergie près des pôles Nord et Sud. Contre toute attente, l'expérience a mis en évidence un fort taux de protons dans le domaine d'énergie à l'échelle du Gigaelectronvolts (GeV), à peu près à toutes les latitudes. Plus surprenant encore, pour les protons de moins de 8 GeV d'énergie, donc en dessous de la coupure géomagnétique dans un arc équatorial s'étendant sur 4 000 km de latitude, à 400 km d'altitude, AMS a détecté autant de particules ascendantes (à partir de la Terre) que descendantes, comme si ces particules étaient une population en équilibre, piégée dans le champ magnétique terrestre!

Pareil phénomène est observé avec les électrons à des énergies inférieures à 3 GeV. Ces électrons et leurs antiparticules, les positons, sont produits par le rayonnement cosmique de haute énergie. AMS observe quatre fois plus de positons que d'électrons. Ce résultat surprenant attend une explication. Les expériences traditionnelles en ballons dans les couches supérieures de l'atmosphère (40 km au-dessus de la Terre) et les précédentes expériences satellites de petite taille ont montré que les rayons cosmiques produisent des particules secondaires dans toutes les directions lorsqu'ils pénètrent dans l'atmosphère terrestre. Certaines de ces particules sont piégées dans le champ magnétique terrestre. Ces données sont maintenant à mettre en perspective avec les nouvelles mesures d'AMS.

Le premier objectif affiché d'AMS est la recherche de l'antimatière d'origine primordiale. Dans la théorie du Big Bang, les équations de la physique prévoient la création, aux premiers instants de l'Univers, de matière et d'antimatière en quantités égales. On devrait donc observer des signes de cette antimatière primordiale, avec des antinoyaux constitués d'antiprotons et d'antineutrons. Cependant, notre Univers semble constitué entièrement de matière et aucune expérience n'a jamais détecté d'anti-matière primordiale. AMS a été conçu pour chercher des antinoyaux au-dessus de l'écran atmosphérique : un échantillon de presque 3 millions de noyaux d'hélium cosmique a été collecté, mais aucun noyau d'antihélium n'a été détecté. AMS ne voit donc pas d'antimatière primordiale. Un autre objectif d'AMS est la recherche de la matière noire. Cette forme de matière constitue 99,5 % de l'Univers mais elle échappe à l'observation optique, d'où son nom. Les théories de la supersymétrie suggèrent que des collisions d'annihilation de particules supersymétriques pourraient produire des excès de positons, d'antiprotons et de rayons  détectables.

Le spectromètre AMS doit être encore amélioré pour être capable, à la fin de sa construction en 2002, de mesurer les rayons cosmiques dans la gamme d'énergie du Téraelectronvolt (TeV, 10¹² eV). Lorsqu'il sera installé à bord de la Station Spatiale Internationale (International Space Station, ISS) en 2004 pour au moins 3 ans, sa sensibilité pour la détection de l'antimatière primordiale deviendra mille fois plus grande. AMS pourra également chercher les particules supersymétriques en complémentarité avec les recherches menées au Large Hadron Collider en cours de construction au CERN (laboratoire européen de physique des particules).

Référence     

- Michel Buénerd, Baptême de l'espace pour AMS, spectromètre de particules destiné à la recherche de l'antimatière, CNRS-Info, n° 351, 1er-15 décembre 1997, pp. 7-8.