L'antimatière pourrait être la clé pour résoudre les plus grands mystères de l'univers

Deux articles publiés cette semaine présentent les origines déroutantes et les utilisations potentielles de l’antimatière, un type de matière qui renverse les règles régissant la matière ordinaire.

Un papier, publié aujourd'hui au JCAP, ont découvert que les antinoyaux provenant des rayons cosmiques peuvent être un indicateur d'un type spécifique de matière noire. Dans un article séparé, publié plus tôt cette semaine dans AIP Advances, des chercheurs décrivent une méthode de détection de l'emplacement et de l'activité des réacteurs nucléaires à l'aide d'antineutrinos produits par les réactions nucléaires des installations.

L'antimatière est importante car elle peut aider à expliquer les mystères cosmiques fondamentaux, comme la raison pour laquelle l'univers est constitué de matière au lieu d'un mélange égal de matière et d'antimatière. Ces études s'inscrivent dans un effort plus vaste visant à résoudre certaines des plus grandes énigmes de la physique, notamment la nature de la matière noire, la physique aux plus petites échelles et peut-être même l'origine de l'univers lui-même.

Malgré son nom, l’antimatière est littéralement de la matière. Il a une masse. L'antimatière fait référence à un groupe de particules qui ont des charges électriques opposées à celles de leurs homologues ordinaires. Vous avez entendu parler des électrons (qui ont une charge négative) et des protons (qui ont une charge positive) ; leurs homologues en antimatière sont des positrons (avec une charge positive) et un antiproton (avec une charge négative).

Bien qu’il existe des différences dans la charge des particules, l’antimatière n’est pas entièrement étrangère aux forces fondamentales. L’année dernière, une équipe de physiciens a découvert que l’antimatière réagissait à la gravité de la même manière que la matière ordinaire, une découverte qui confirmait à la fois Einstein et le modèle standard de physique des particules.

Quelque chose de plus similaire à l'idée d'« antimatière » que vous pourriez avoir en tête est la matière noire – qui a également une masse – mais qui est invisible pour tous les types de détecteurs que l'humanité a conçus jusqu'à présent. Les scientifiques savent que la matière noire existe parce que ses effets gravitationnels sont visibles, même si la particule (ou les particules !) responsable ne peut pas être observée directement.

L’antimatière reste un sujet de confusion (désolé, jeu de mots horrible) pour plusieurs raisons. Comme l'explique Gizmodo en 2022 :

L'univers est né il y a 14 milliards d'années, avec un Big Bang qui, en théorie, aurait dû créer des quantités égales de matière et d'antimatière. Mais regardez autour de vous ou regardez les dernières images du télescope Webb : nous vivons dans un univers dominé par la matière. Une question en suspens en physique est de savoir ce qui est arrivé à toute l’antimatière.

L’antimatière et la matière noire s’accordent parfaitement dans le récent article du JCAP, qui postule que la quantité d’antimatière détectée par les expériences est supérieure à ce qu’elle devrait être – et ils pensent que la matière noire est la coupable.

Quelques particules différentes (et d’autres objets plus exotiques) ont été postulées comme responsables de la matière noire. Parmi eux : les axions, une particule nommée d'après un détergent à lessive ; Objets MAssive Compact Halo, ou MACHO ; les photons sombres, qui malgré leur nom ressemblent plus à des axions qu'à une version insidieuse de la lumière ; et les trous noirs primordiaux, qui seraient de minuscules trous noirs nés au début de l'univers, flottant dans l'espace.

Les recherches récentes se concentrent sur un autre type de particules massives à faible interaction, ou WIMP, comme coupable. La théorie est essentiellement que lorsque les WIMP entrent en collision, ils s'annihilent parfois, se détruisent mutuellement, émettant de l'énergie et des particules de matière et d'antimatière.

Dans la recherche de 2022 susmentionnée, une équipe de physiciens utilisant l'expérience ALICE au CERN a découvert que l'antimatière pouvait facilement voyager à travers notre galaxie au lieu d'être étouffée par la matière dans le milieu interstellaire, une conclusion rassurante pour les détecteurs d'antinoyaux comme l'AMS-02. expérience à bord de la Station spatiale internationale.

« Les prédictions théoriques suggèrent que, même si les rayons cosmiques peuvent produire des antiparticules par interactions avec les gaz du milieu interstellaire, la quantité d'antinoyaux, en particulier d'antihélium, devrait être extrêmement faible », a déclaré Pedro De la Torre Luque, physicien à l'Institut de recherche théorique. Physiciens à Madrid et auteur principal de l'article JCAP, dans un Medialab SISSA libérer.

« Nous nous attendions à détecter un événement d'antihélium tous les quelques dizaines d'années, mais la dizaine d'événements d'antihélium observés par AMS-02 sont de plusieurs ordres de grandeur supérieurs aux prédictions basées sur les interactions standard des rayons cosmiques », a ajouté De la Torre Luque. « C'est pourquoi ces antinoyaux constituent un indice plausible de l'annihilation des WIMP. »

Cependant, De la Torre Luque a ajouté que les WIMP ne pouvaient expliquer que la quantité d’antihélium-3 – un isotope de l’antimatière détecté par AMS-02 – et non les quantités détectées d’antihélium-4, plus rare et plus lourd. En d’autres termes, même si les WIMP sont responsables de la matière noire, ils ne racontent pas toute l’histoire.

Les WIMP pourraient être responsables des détections d’antimatière collectées par les détecteurs spatiaux. Mais quelle que soit la question de la matière noire – à laquelle il faudra beaucoup de temps pour répondre – la conception d’un détecteur reniflant l’antimatière pour surveiller les réacteurs nucléaires sur Terre montre des applications pratiques ici et maintenant. Ensemble, ces découvertes sur l’antimatière pourraient offrir de nouvelles façons d’exploiter les propriétés étranges de l’univers à des fins pratiques, tout en nous aidant également à mieux comprendre à la fois le cosmos et notre propre planète.