La matière prend le pas sur l'antimatière
Station spatiale internationale : à la recherche
des "antimondes"

















L’antimatière est un double-miroir de la matière usuelle. Soit. Mais pourquoi a-t-elle disparu de notre horizon ? Et sommes-nous finalement si sûrs de ce constat ? Une question dérangeante: n’existerait-il pas, ailleurs, des "antimondes" peuplés d’antiétoiles et d’antiplanètes ? Le problème sera abordé - avec sérieux - en 2007 dans l’expérience AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) sur la station spatiale internationale. Un détecteur de sept tonnes tentera de déceler des… antinoyaux forgés au cœur d’antiétoiles !..

"L’antimatière est-elle une curiosité de physiciens qui la font apparaître tous les jours sur Terre ? Ou bien au contraire, est-elle très répandue dans de larges régions de l’Univers ?". Telle est la question, un brin provocatrice, que pose Aurélien Barrau chercheur-enseignant au Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de Grenoble. Il est membre de l’expérience AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) qui sera embarquée en 2007 à bord de la station spatiale internationale. "De manière plus précise, les lois fondamentales de la nature semblent presque parfaitement équilibrées – on dit ‘symétriques’ - au niveau microscopique", reprend le spécialiste. "Les particules de matière, à de rares exceptions, se comportent de manière identique aux antiparticules. Dès lors, comment expliquer que l’Univers proche, observé avec les télescopes, apparaisse presque exclusivement constitué de matière ?". Bien sûr, ce fait est salutaire pour nous terriens. Il garantit que nous ne serons pas anéantis par une rencontre inopportune...! "Toutefois, il pose un problème de fond aux théoriciens pour expliquer cette asymétrie criante à grande échelle. Les observations éliminent de façon fiable l’existence d’antimatière primordiale dans l’amas local de galaxies où nous résidons. Le constat tient jusqu’à une distance d’environ 50 millions d’années-lumière."

Antinoyaux et antiétoiles
D’où la question : comment ce microcosme, respectueux de l’harmonie entre particules et antiparticules, a-t-il pu engendrer un tel macrocosme dominé par la matière ? Comment celle-ci a-t-elle pu prendre le dessus sur sa consoeur-ennemie ? Telle est l’entêtante énigme à la résolution de laquelle s’attèlent 200 chercheurs dont le prix Nobel de physique 1976 Samuel Ting. Un élément de réponse possible – et en général peu privilégié - serait que l’hégémonie écrasante de la matière n’est que pure illusion : nous habiterions une région particulière du cosmos, près du Soleil dans notre galaxie la Voie lactée. "On peut imaginer que l’Univers dans son ensemble se compose de domaines cloisonnés où règnent alternativement matière et antimatière", suggère Aurélien Barrau. "De fait, les galaxies les plus lointaines connues jusqu’ici, distantes de milliards d’années-lumière, ne nous communiquent leur pedigree qu’à travers leur rayonnement. Autrement dit, nous n’avons encore observé que leur lumière - rigoureusement indiscernable de l’antilumière qu’émettrait une antigalaxie. On ne peut exclure qu’il s’agisse d’antimondes éloignés qui abritent des antiétoiles et des antiplanètes. Sur certaines - pourquoi pas ? - des antiscientifiques s’anti-interrogeraient sur ce qu’ils anti-observent…"

Le modèle d’Univers qui prévaut ici s’appuie sur celui utilisé pour décrire le comportement des matériaux ferromagnétiques. Au refroidissement, une transition de phase – c’est-à-dire un changement d’état physique, comme lorsque l’eau liquide gèle et se transforme en glace – s’opère. Le matériau se subdivise en régions aimantées dans des sens opposés. Au total, la neutralité – donc l’équilibre entre matière et antimatière – se trouve conservé. "Par contre, la propagation des états choisis de manière aléatoire provoque des phénomènes complexes au niveau des parois entre domaines", prévient Aurélien Barrau. "Il faut s’attendre à des annihilations violentes aux frontières de la matière et de l’antimatière." Les mesures entre 1 et 100 millions d’électrons-volts d’énergie du télescope à rayons gamma Egret, à bord du satellite Compton, n’ont rien enregistré de tel.


Le plus gros détecteur de particules dans l’espace
Pour en avoir le cœur net, l’expérience AMS tentera de détecter des antinoyaux d’hélium ou de carbone hors de l’atmosphère terrestre. Là, l’interprétation deviendra incontestable. En effet, "l’identification d’un seul antinoyau de ce type et d’origine cosmique sera suffisante pour conclure à l’existence d’antimondes issus du big bang primordial. Des antinoyaux lourds ne peuvent provenir que des réactions nucléaires à l’œuvre au cœur d’antiétoiles."

Concrètement, le signal attendu – un flux d’antinoyaux qui nous parviendraient après avoir voyagé pendant des millions d’années dans l’espace – demeure extrêmement faible. L’expérience AMS a été dimensionnée en conséquence. D’un poids de sept tonnes pour une puissance électrique consommée de 2 000 watts, elle disposera d’une surface collectrice d’un mètre-carré et 300 000 canaux électroniques d’analyse. Ce sera de loin le "détecteur de particules le plus complet jamais emporté en orbite autour de la Terre". Arrimé aux flancs de la station spatiale internationale, ce cylindre de 3 mètres de diamètre sera contrôlé par les astronautes pendant trois ans jusqu’en 2011. On enregistrera les passages de particules énergétiques au rythme de 1000 coups par seconde (1 kilo-hertz). Là, un colossal aimant supra-conducteur refroidi à -271°C (2 K) par de l’hélium superfluide générera un champ magnétique d’une intensité d’un Tesla dans un volume d’un mètre-cube : de quoi distinguer avec certitude les noyaux des antinoyaux. Pour plus de sécurité, le spectromètre fonctionnera de plusieurs manières différentes et avec des éléments redondants. Ainsi la probabilité d’une fausse alerte à l’antimatière cosmologique sera réduite au minimum. Le coût de l’expérience est estimé à plusieurs centaines de millions de dollars. Le lancement dans l’espace sera assuré par la navette de la Nasa. La collaboration internationale associe 50 laboratoires liés à 17 pays.


Matière noire, trous noirs et étoiles étranges
Du côté des retombées scientifiques secondaires : de l’aveu des experts impliqués, "elles s’avèreront au moins aussi importantes que la quête de l’antimatière elle-même". En effet, vu la controverse sur l’existence de cette dernière dans l’Univers, il est apparu opportun d’optimiser l’exploitation de la mission. Et d’en tirer tout le miel possible. "Notre projet se distingue par son extraordinaire potentiel de découverte en physique au sens large", indique Aurélien Barrau. Au-delà de l’antimatière, l’aimant supraconducteur traquera aussi les antiprotons et les antiélectrons produits par l’annihilation spontanée de particules et d’antiparticules… de "matière noire". Il s’agit des fameuses Mauviettes, particules massives interagissant faiblement, ou Wimps (Weakly Interactive Massive Particles), alias les neutralinos d’une masse d’environ 100 milliards d’électrons-volts prévus par les nouvelles théories d’unification et de supersymétrie. Bonus : elles fournissent un excellent candidat afin d’expliquer la matière noire dont la masse constitue 35 à 40 % du contenu de l’Univers. Problème : la nature de cette dernière reste inconnue. Dans d’autres registres, AMS contribuera à élucider l’origine des rayons cosmiques. Un mystère qui perdure depuis un siècle. Le détecteur analysera les rayons gamma de haute énergie. Et cerise sur le gâteau : il pourrait déceler les effets exotiques de l’évaporation de mini-trous noirs. Ou bien de très étranges… "étoiles à quarks".