Des collisions cosmiques pour l’expérience LHCb

Reconstitution complète d’une collision proton-hélium dans le détecteur LHCb. La particule identifiée comme un antiproton apparaît en rose. (Image : collaboration LHCb)

La semaine passée, aux 52e Rencontres de Moriond, à La Thuile (Italie), l’expérience LHCb a présenté les résultats d’une étude sans précédent et sortant de l’ordinaire. Au lieu de s’intéresser aux habituelles collisions proton-proton, le détecteur LHCb a cette fois observé des collisions entre des protons et des noyaux d’hélium, injectés à proximité du point d’interaction de l’expérience. Ce type de collision ne peut généralement être observé que loin au-delà de la limite de l’atmosphère terrestre, lorsque les particules des rayons cosmiques – des particules hautement énergétiques provenant de l’extérieur du système solaire – entrent en collision avec de la poussière intersidérale composée principalement d’hydrogène et d’hélium, et que ces collisions sont détectées par des expériences basées sur des satellites. Les scientifiques souhaitent mieux comprendre ce processus et, surtout, ils tentent de savoir combien d’antiprotons sont créés lorsque des rayons cosmiques de haute énergie entrent en collision avec les noyaux d’hélium de la matière interstellaire.

La raison ultime de leur intérêt pour cette question est liée à la quête de la matière noire. La matière noire est un type de matière invisible (c’est-à-dire qu’elle n’émet aucun type de rayonnement électromagnétique) qui représente un quart du contenu de matière et d’énergie de notre Univers, mais son origine est encore inconnue. Si la matière noire est constituée d’un certain type de particules stables (pour l’instant non découvert), dont l’existence est prédite dans de nombreuses extensions du Modèle standard de la physique des particules, ces particules de matière noire pourraient entrer en collision et produire ainsi des particules ordinaires et des antiparticules, et notamment des antiprotons. 

Les antiprotons peuvent toutefois aussi être créés par des collisions entre les protons des rayons cosmiques et les noyaux d’hydrogène ou d’hélium présents dans la matière intersidérale. Ainsi, l’observation d’un nombre d’antiprotons supérieur à celui attendu dans les processus « habituels » pourrait constituer un signe potentiel de la présence de matière noire. Et effectivement, les expériences situées dans l’espace PAMELA et AMS-02 ont justement découvert un étonnant excédent d’antiprotons par rapport aux protons dans leurs mesures des rayons cosmiques, qui présentent un niveau de précision impressionnant.

« Eurêka » ? Pas encore, malheureusement, car notre connaissance théorique de la production d’antiprotons lors des collisions avec des rayons cosmiques présente encore d’importantes lacunes, surtout en ce qui concerne la probabilité (appelée « section efficace ») de la production d’antiprotons lors des collisions proton-hélium. Une détermination précise du nombre d’antiprotons qui devraient être créés par les rayons cosmiques n’a jusqu’ici pas été possible, ce qui empêche une interprétation directe des résultats des expériences placées sur des satellites.

C’est là que l’expérience LHCb fait son entrée. L’idée d’injecter des gaz nobles – comme le néon, l’hélium ou l’argon – dans le tube de faisceau, à proximité de la zone d’interaction, a été proposée pour diverses raisons liées aux mesures de la luminosité des faisceaux de protons. Mais les physiciens de LHCb et leurs collègues travaillant en astrophysique des particules ont rapidement reconnu le potentiel de cette technique : l’injection de gaz pouvait également être utilisée pour simuler l’environnement cosmique et mesurer, pour la première fois, la section efficace de la production d’antiprotons dans des collisions proton-hélium.

Les données sur les collisions proton-hélium utilisées dans l’analyse présentée ici ont été enregistrées début mai 2016. Grâce à ses capacités spécialisées pour identifier diverses particules, en particulier les antiprotons, l’expérience LHCb a en outre été capable de mesurer la section efficace de la production d’antiprotons dans une vaste gamme d’énergies pertinentes, et a atteint une précision générale d’environ 10 %. Cette mesure restreint considérablement l’incertitude sur les valeurs de la section efficace de la production d’antimatière dans les collisions proton-hélium utilisées jusqu’ici dans les modèles théoriques sur les rayons cosmiques (voir l’image ci-dessous).

Le résultat de LHCb aura une influence considérable sur les prédictions concernant le nombre d’antiprotons qui seraient produits lors des collisions de rayons cosmiques avec la matière intersidérale ; la communauté de l’astrophysique se consacre à présent à intégrer ce résultat dans ses calculs. Ces travaux permettront de poser des limites plus étroites à l’interprétation des données de PAMELA et d’AMS-02 sur le flux d’antiprotons en provenance de l’espace, ce qui pourrait contribuer à faire la lumière sur ses possibles origines dans la matière noire.

Pour plus de précisions sur ce résultat, consulter le site web de LHCb (en anglais).

La section efficace de la production d’antiprotons lors des collisions entre des protons et des noyaux d’hélium dans le LHC, en fonction de l’énergie de l’antiproton, pour différents niveaux d’énergie. Certains des modèles les plus fréquemment utilisés en physique des rayons cosmiques sont représentés par les lignes continues de couleur, et les résultats de LHCb sont représentés par les points superposés. La dispersion entre les prédictions des différents modèles indique la grande incertitude, avant les mesures de LHCb, sur la valeur de la section efficace de la production d’antimatière lors des collisions proton-hélium. (Image : collaboration LHCb)