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Les dernières mesures de l’expérience AMS ouvrent de nouveaux horizons dans l’étude du flux de rayons cosmiques

Genève, le 18 septembre 2014. La collaboration du Spectromètre Magnétique Alpha (AMS1) a présenté aujourd’hui ses résultats les plus récents. Ceux-ci sont basés sur l’analyse de 41 milliards de particules observées par le détecteur AMS, arrimé à la Station spatiale internationale. Les résultats, présentés à un séminaire au CERN2, apportent un nouvel éclairage sur la nature du mystérieux excédent de positons observé dans le flux de rayons cosmiques. Ces résultats sont publiés aujourd’hui dans la revue Physical Review Letters.

Les rayons cosmiques sont des particules couramment présentes dans l’Univers. Il s’agit principalement de protons et d’électrons, mais aussi de nombreuses autres particules, notamment des positons, qui voyagent dans l’espace. Les positons sont les équivalents en antimatière des électrons ; ils ont la même masse, mais une charge opposée. La présence dans l’espace d’un certain nombre de positons peut s’expliquer par les collisions de rayons cosmiques, mais ce phénomène ne pourrait produire qu’une faible quantité d’antimatière dans l’ensemble du spectre des rayons cosmiques. Étant donné que l’antimatière est extrêmement rare dans l’Univers, tout excédent significatif de particules d’antimatière enregistré dans le flux de rayons cosmiques énergétiques indique l’existence d’une nouvelle source de positons ; des étoiles très denses, comme les pulsars, sont des candidats potentiels.

L’expérience AMS est capable de dresser une carte du flux de rayons cosmiques avec une précision sans précédent et, dans les résultats publiés aujourd’hui, la collaboration présente de nouvelles données à des énergies jamais enregistrées auparavant. La collaboration AMS a analysé 41 milliards d’événements correspondant à des rayons cosmiques primaires, parmi lesquels 10 millions ont été identifiés comme des électrons ou des positons. Il apparaît clairement dans les mesures que la répartition de ces événements dans une gamme d’énergies allant de 0,5 à 500 GeV montre une augmentation des positons à partir de 8 GeV, quelle que soit la direction d’où proviennent les rayons dans l’espace. L’énergie à laquelle la proportion de positons cesse d’augmenter a été mesurée à 275±32 GeV.

« C’est la première fois, après un demi-siècle d’expériences sur les rayons cosmiques, qu’une expérience observe ce maximum de la proportion de positons, explique Samuel Ting, porte-parole d'AMS. L'équipe d'AMS procède à des mesures pour déterminer le rythme auquel la proportion de positons diminue après le point d’inflexion. »

La rapidité de cette diminution quand on atteint l’énergie correspondant au point d’inflexion est très importante pour les physiciens car elle pourrait indiquer que l’excédent de positons est la signature de particules de matière noire qui s’annihilent en paires d’électrons et de positons. Même si les mesures actuelles pourraient être expliquées par des objets tels que les pulsars, elles ressemblent étrangement à ce que pourraient donner des particules de matière noire ayant des masses de l’ordre de 1 TeV.  Différents modèles sur la nature de la matière noire prédisent différents profils de l’excédent de positons par rapport à la proportion de positons attendue dans les collisions de rayons cosmiques ordinaires. Par conséquent, les résultats pour des énergies plus élevées seront d’une importance capitale, dans un futur proche, pour déterminer si le signal provient de la matière noire ou d’une source cosmique.

« Entre AMS et le prochain redémarrage du LHC, à des énergies jamais atteintes auparavant, nous vivons une période passionnante pour la physique des particules, car ces deux instruments repoussent les limites de la physique », a déclaré Rolf Heuer, directeur général du CERN.

AMS a également observé que le flux d’électrons et le flux de positons changent tous deux de comportement à une énergie d’environ 30 GeV, mais que ces deux flux présentent des différences significatives du point de vue de leur intensité et de leur profil en fonction de l'énergie. En particulier, entre 20 et 200 GeV, la pente de la courbe pour le flux de positons est étonnamment plus abrupte que pour le flux d’électrons. C’est un indice important du fait que l’excédent observé dans la proportion de positons est dû à un excédent relatif de positons de haute énergie, et non à la perte d’électrons de haute énergie. Ce nouveau résultat est essentiel pour mieux comprendre l’origine des électrons et des positons des rayons cosmiques, et c’est peut-être le signe d’un phénomène inconnu.

Dans son séminaire, M. Ting a également présenté de nouveaux résultats intéressants, qui seront publiés prochainement. Ces résultats montrent qu’à des énergies élevées, et dans une large gamme d’énergies, le flux combiné d’électrons et de positons peut être décrit par un unique indice spectral, constant, sans qu’apparaisse aucune structure, comme le laissaient supposer des mesures précédentes d’autres expériences.

 

Liens :

Physical Review Letters “High Statistics Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5-500 GeV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station”

Physical Review Letters “Electron and Positron Fluxes in Primary Cosmic Rays Measured with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station”

 

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ams_new_results_-_18.09.2014.pdf2.71 MB
Footnote(s):

2. Le détecteur AMS est géré par une grande collaboration internationale dirigée par le prix Nobel Samuel Ting, et mobilisant près de 600 chercheurs originaires d’Allemagne, de Chine, de Corée, du Danemark, d’Espagne, des États-Unis d’Amérique, de Finlande, de France, d’Italie, du Mexique, des Pays-Bas, du Portugal, de Suisse et de Taiwan. Le détecteur AMS a été assemblé au CERN, testé dans le Centre ESTEC de l’ESA (Pays-Bas) et a pris place le 16 mai 2011 à bord de la navette spatiale Endeavour de la NASA. Il a été arrimé à la Station spatiale internationale (ISS), où il traque les particules chargées telles que les protons, les électrons, et les particules d’antimatière telles que les positons, en dressant une carte du flux des rayons cosmiques avec une précision sans précédent.

2. Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est le plus éminent laboratoire de recherche en physique des particules du monde. Il a son siège à Genève. Ses États membres actuels sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Royaume-Uni, Slovaquie, Suède et Suisse. La Roumanie a le statut de candidat à l’adhésion. La Serbie est État membre associé en phase préalable à l’adhésion. Les États-Unis d’Amérique, la Fédération de Russie, l’Inde, le Japon, la Turquie, la Commission européenne et l’UNESCO ont le statut d'observateur.

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