En 2011, le Spectromètre magnétique Alpha (AMS-02) a été installé sur la Station spatiale internationale (ISS) avec une mission ambitieuse : détecter des particules d’antimatière dans les rayons cosmiques. Fin 2013, les premiers résultats ont révélé des anomalies intrigantes qui ont défié les connaissances établies par le Modèle Standard de la physique des particules. En particulier, l’AMS-02 a enregistré des événements d’anti-hélium, un type de particule d’antimatière particulièrement rare. Ces observations sont d’autant plus surprenantes qu’elles suggèrent une fréquence de détection beaucoup plus élevée que celle prédite par le Modèle Standard — qui postule que l’univers devrait contenir un équilibre entre matière et antimatière. Équilibre qui semble pourtant absent. Dans une nouvelle étude, des chercheurs avancent l’hypothèse des « boules de feu cosmiques » pour expliquer l’origine des antiparticules détectées sur l’ISS, ouvrant potentiellement la voie à une nouvelle physique.
Récemment, une nouvelle étude tente d’expliquer ces observations intrigantes. Précédemment, une étude distincte dirigée par Vivian Poulin de l’Université de Montpellier, avait examiné les origines possibles des événements d’anti-hélium détectés par l’AMS-02. L’analyse, disponible entre autres sur arXiv depuis 2018, suggérait que ces événements pourraient provenir de régions dominées par l’antimatière, telles que des anti-nuages ou des anti-étoiles.
L’hypothèse des boules de feu cosmiques
Dans la cadre de la nouvelle étude, publiée le 21 juin 2024 dans la revue Physical Review D, l’hypothèse principale avancée par les chercheurs pour expliquer ces observations est celle des boules de feu cosmiques. Ces phénomènes hypothétiques seraient le résultat de collisions extrêmement énergétiques de matière noire, une substance mystérieuse qui compose près de 27 % de l’univers. Lors de ces collisions, des régions extrêmement denses et énergétiques se formeraient, où des antiparticules comme l’anti-hélium pourraient être produites en abondance.
« Une fois formées, ces boules de feu s’étendent à une vitesse proche de celle de la lumière, libérant des antiprotons, des antineutrons et de l’anti-hélium dans l’environnement environnant », explique à Live Science Anubhav Mathur, doctorant à l’Université Johns Hopkins.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé des outils semi-analytiques modernes pour modéliser les boules de feu cosmiques. Les résultats suggèrent en effet que ces phénomènes pourraient produire des quantités significatives d’antimatière, y compris de l’anti-hélium-4. En simplifiant, une boule de feu cosmique est une région extrêmement dense et énergétique. Lorsque ces boules de feu deviennent optiquement minces, elles libèrent divers noyaux d’antimatière, expliquent les chercheurs dans l’étude.
Les simulations montrent que les ratios de ces noyaux sont en accord avec les observations de l’AMS-02. Par exemple, l’abondance d’anti-hélium-4 suit une hiérarchie prévisible, en accord avec les conditions initiales de la boule de feu. Les résultats numériques indiquent que les abondances des noyaux anti-hélium-4 sont compatibles avec les observations de l’AMS-02, renforçant ainsi l’hypothèse que ces phénomènes pourraient être à l’origine des détections par l’AMS-02.
Les implications pour la physique des particules
Les implications de cette découverte pourraient nécessiter une révision fondamentale du Modèle Standard de la physique des particules. Les résultats de l’AMS-02, combinés aux futures découvertes de missions complémentaires comme GAPS, pourraient ouvrir de nouvelles voies de recherche.
Pour corroborer ces découvertes, des missions complémentaires sont en préparation. Le projet General AntiParticle Spectrometer (GAPS) prévoit le lancement d’un ballon au-dessus de l’Antarctique pour détecter des rayons cosmiques d’antimatière. Cette mission pourrait fournir des données supplémentaires clés pour valider ou infirmer l’hypothèse des boules de feu cosmiques.
En attendant, les physiciens continuent d’analyser les données de l’AMS-02. « Nous attendons avec impatience qu’AMS-02 achève l’analyse de ses événements antihélium candidats, et qu’il prenne à l’avenir d’autres données susceptibles d’éclairer davantage cette énigme », a déclaré à Trust My Science Michael A. Fedderke, co-auteur de l’étude et chercheur postdoctoral à l’Institut Perimeter pour la physique théorique au Canada.
Quoi qu’il en soit, les résultats préliminaires sont prometteurs, mais d’autres observations et analyses sont nécessaires pour confirmer ces découvertes et comprendre leur signification. La détection d’anti-hélium sur l’ISS pourrait bien être le premier indice d’une physique encore inconnue.