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22 avril 2011
par Jean-Paul Baquiast

A la recherche
de la matière "étrange"

Dans une brève d'actualité précédente, nous avion signalé les espoirs placés par certains astrophysiciens dans la prochaine mise en orbite de l'«Alpha Magnetic Spectrometer» AMS-02 (image ci-dessus). Sauf incident de dernière minute, il devrait être embarqué à bord de la plateforme internationale ISS lors du dernier vol de la navette Endeavour fin avril 2011.

L'opération ne sera pas simple car l'instrument pèse près de 7 tonnes et demandera diverses manipulations et réglages supposant des sorties dans l'espace. D'un coût approximatif de 1,5 milliards de dollars, il est le produit final d'une longue aventure semée de péripéties, due en grande partie à la persévérance du chef de projet et lauréat du Prix Nobel Sam Ting.
Alors qu'il était physicien des particules au MIT, il avait convaincu en 1998 l'administrateur de la Nasa de l'époque de la possibilité de trouver des traces d'une supposée antimatière primordiale, à partir d'observatoires orbitaux.

L'un des mystères s'attachant aux conceptions actuelles relatives à la création de l'univers tient au fait que chaque particule de matière créée à partir de l'énergie primordiale aurait dû s'accompagner de sa contrepartie, sous forme de particule d'antimatière. Or ce n'est pas le cas. Les spécialistes l'expliquent en supposant que les particules de matière et d'antimatière se sont annihilées, mais que le nombre des premières était largement supérieur à celui des secondes. Il en serait résulté un univers constitué de la seule matière survivante, celle dont nous sommes fais. Mais cette explication faisant appel à une cause un peu ad hoc, dont le processus ne s'explique pas clairement, ne satisfait pas tout le monde.

Aujourd'hui, l'espoir est que l'AMS puisse détecter au moins un noyau d'anti-hélium. L'essentiel de l'hélium présent dans le cosmos se serait formé dans les trois minutes après le Big bang, plutôt que par fusion au coeur des étoiles dans le cadre de la nucléosynthèse stellaire. Il en serait de même d'éventuels noyaux d'anti-hélium. La détection de l'un de ceux-ci dans l'espace en ferait un survivant de la grande annihilation primordiale. Si l'on en trouvait un, pourquoi pas ne pas espérer en trouver d'autres ? De même, la détection d'une particule d'anti-carbone par l'AMS pourrait faire supposer que cette particule se serait formée dans les mêmes conditions, à partir d'une anti-étoile.

Pour faire la chasse aux anti-particules, l'AMS fait appel à un dispositif s'inspirant de ceux en usage dans le LHC du Cern : un puissant aimant accompagné de détecteurs destinés à analyser les différentes caractéristiques des quelque 10.000 particules qui le traverse à la minute. Les données seront envoyées à terre et traitées dans les laboratoires de 16 pays associés à l'expérimentation. Un premier prototype avait été réalisé en juin 1998 et activé pendant 100 heures à bord de la navette Discovery. Sans résultats. Selon les estimations actuelles, pour prouver raisonnablement l'existence de noyaux d'anti-hélium primordial dans la galaxie, il faudrait en détecter 1 sur 1 milliard de noyaux ordinaires. L'avenir dira bientôt ce qu'il en est.

Un bien plus grand mystère

Mais, à supposer même qu'il échoue dans la chasse à l'anti-matière, l'AMS pourrait faire beaucoup plus : apporter une puissance de détection qui manque pour le moment aux recherches visant à mettre en évidence une forme de matière hypothétique dite "étrange"(strange matter). Il s'agirait d'une matière stable, plus lourde que la matière ordinaire et qui comporterait des quarks exotiques, dits eux-aussi " étranges" se conjuguant avec les quarks constituant les protons et les neutrons de la matière ordinaire.

L'hypothèse est aujourd'hui présentée par le physicien théoricien Jes Madsen de l'Université d'Aarhus au Danemark. Selon lui, la matière étrange pourrait se trouver au coeur des étoiles à neutrons. Elle émettrait des rayons cosmiques dont la charge serait supérieure à celle provenant d'un noyau ordinaire. Si l'AMS détectait de telles particules, il pourrait mettre les physiciens sur la piste de la supposée matière étrange. Celle-ci à son tour pourrait placer les scientifiques sur la piste de la non moins hypothétique matière noire, censée donner à l'univers la masse manquante indispensable aux équilibres gravitationnels observés par les astronomes.

Les observations faites à ce jour sur les rayons cosmiques montrent que 1% d'entre eux ne sont pas des noyaux de matière ordinaire, hydrogène ou hélium. Pour les identifier, un détecteur nommé PAMELA avait été mis en orbite en 2006 sur un satellite russe. Il visait à comprendre les mécanismes dotant certains rayons cosmiques d'énergies bien supérieures à celles produites par les accélérateurs actuels.

Il est possible que PAMELA ait détecté des particules signataires de la présence de matière noire (neutralinos). Mais l'énergie du détecteur en service dans le satellite russe n'aurait pas été suffisante pour pousser les vérifications plus loin. On espère maintenant que les capacités beaucoup plus importantes offertes par l'AMS, une fois celui-ci opérationnel, pourrait aider à éclairer un des plus grands points d'interrogation de la cosmologie contemporaine.

Affaire à suivre donc. Nous aurons l'occasion d'en reparler.

Pour en savoir plus
L'article ci-dessus est une adaptation résumée d'un article de Stuart Clark dans le NewScientist http://www.newscientist.com/article/mg21028071.400-catcher-in-the-sky-the-search-for-mystery-matter.html?full=true
Stuart Clark est l'auteur de The Sky's Dark Labyrinth (Polygon) et Bis Questions: Universe (Quercus)
AMS 02 : http://www.ams02.org/
PAMELA : http://pamela.roma2.infn.it/index.php
PAMELA and indirect dark matter searches : http://iopscience.iop.org/1367-2630/11/10/105023/


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