Le Spectromètre magnétique alpha (AMS), détecteur de physique des particules de haute précision, est arrimé à la Station spatiale internationale (ISS) et, tandis que celle-ci poursuit sa course autour de la Terre, il mesure en continu des particules de haute énergie provenant de tout l’Univers, les rayons cosmiques. Dans un article paru récemment dans la revue Physical Review Letters, la collaboration AMS présente les premières mesures qu’elle a faites de cinq éléments lourds trouvés parmi ces particules.

Depuis son installation à bord de l’ISS en 2011, AMS, qui utilise des technologies tirées de celles que l’on trouve dans les détecteurs de particules du CERN, bien plus grands, a collecté des données provenant de plus de 200 milliards de rayons cosmiques. Cet exceptionnel volume de données aide les scientifiques à mieux comprendre comment les rayons cosmiques sont produits et accélérés, et comment ils traversent l’espace.

Dans ce nouvel article, la collaboration AMS décrit les mesures précises qu’elle a réalisées pour cinq éléments lourds (le phosphore, le chlore, l’argon, le potassium et le calcium), portant ainsi à 20 le nombre total d’éléments étudiés par l’expérience.

On distingue habituellement deux grandes catégories de rayons cosmiques : les rayons cosmiques primaires, générés pour la plupart par l’explosion d’étoiles ; et les rayons cosmiques secondaires, résultant de l’interaction entre les rayons cosmiques primaires et les gaz ainsi que les rayonnements de l’espace.

Dans une précédente étude, la collaboration AMS avait présenté des résultats inattendus montrant que les rayons cosmiques primaires pouvaient à leur tour être subdivisés en deux classes différentes. Les scientifiques avaient mesuré la manière dont le flux (proportionnel au nombre de particules) de plusieurs éléments varie en fonction de la rigidité (résistance de leur trajectoire à un champ magnétique) et, suivant les résultats, les éléments ont été affectés à l’une ou l’autre des deux classes.

Le nouvel article d’AMS rend compte de mesures portant sur les flux de cinq autres éléments lourds provenant d’environ un million de rayons cosmiques, enregistrés pendant 13 ans et demi, et ce, pour des rigidités allant du gigavolt au téravolt. Grâce à ces données et aux précédents résultats, l’équipe d’AMS a également pu subdiviser les rayons cosmiques secondaires en deux classes, si bien qu’on parvient à un total de quatre classes distinctes.

Certains éléments se rencontrent à la fois dans les rayons cosmiques primaires et secondaires et appartiennent donc aux deux catégories. Par conséquent, les scientifiques ont aussi cherché à déterminer dans quelle proportion les différents éléments étaient présents dans les rayons cosmiques primaires et dans les rayons cosmiques secondaires. Ils ont pu établir que, pour les éléments dont il est question dans l’article, ceux possédant un nombre impair de protons ont une plus grande proportion de particules provenant de rayons cosmiques primaires que ceux dont le nombre de protons est pair.

« AMS a permis d’obtenir un gain de précision de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux précédents détecteurs. Aucun de ses résultats ne concorde avec la théorie actuelle, si bien qu’il nous faut bâtir de nouveaux modèles sur les rayons cosmiques », explique Samuel Ting, porte-parole de la collaboration AMS.

« De telles contradictions apparaissent parce que les modèles ont été élaborés à une époque où les incertitudes liées aux flux pouvaient atteindre 100 %. La précision d’AMS a augmenté pour atteindre 1 %, donc on doit améliorer d’autant les prédictions théoriques afin de pouvoir expliquer ses mesures », observe SunilGupta, président désigné de l’Union internationale de physique pure et appliquée, qui n’a pas participé à l’étude. « La présence de composants secondaires dans les rayons cosmiques primaires semble indiquer qu’une part importante de la production d’éléments essentiels à la vie sur Terre pourrait avoir eu lieu lors d’interactions de rayons cosmiques dans notre galaxie, et non pas seulement, comme cela est communément admis, durant le processus de nucléosynthèse dans les étoiles. »

L’ajout au détecteur AMS d’une nouvelle couche en silicium, qui sera placée cette année au-dessus des neuf couches existantes du trajectographe, permettra bientôt d’étendre d’environ 300 % l’acceptance aux rayons cosmiques. Grâce à cette mise à niveau, AMS recueillera au cours des cinq prochaines années autant de données issues de rayons cosmiques que ces 15 dernières années, et continuera ainsi à percer les secrets de ces mystérieux flux de particules de haute énergie.