Le surplus de positrons détecté par l'Alpha Magnetic Spectrometer. (Image : AMS)

Tout le monde a bien pris soin, la semaine dernière, d’utiliser le conditionnel pour parler de la découverte possible d’un indice de matière sombre par l’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), un instrument installé depuis 2011 sur la Station spatiale internationale. Or à en croire le magazine Pour la science, même ce temps de verbe serait trop affirmatif, la source des observations étant selon toute vraisemblance un «vulgaire» pulsar.

Comme je le résumais jeudi dernier, on croit qu’il existe trois types de matière dans l’Univers : la matière ordinaire (rassurez-vous, son existence ne fait aucune doute) composée des particules élémentaires «classiques», comme les quarks et les électrons ; l’antimatière, qui est une sorte de «matière-miroir» de la matière ordinaire (chaque particule a son antiparticule) et dont l’existence est elle aussi archi-démontrée, même si elle est rare (l’antimatière s’annihile en contact avec la matière) ; et la matière sombre, qui n’a jamais été observée directement.

L’existence de la matière noire a été déduite, historiquement, de l’observation du mouvement des galaxies. En effet, quand on additionne toute la matière observable par les télescopes au cœur des galaxies, on arrive à une somme qui n’est pas suffisante pour retenir les étoiles qui orbitent autour. Les galaxies que nous voyons aujourd’hui devraient donc, en principe, s’être disloquées il y a très longtemps, mais ce n’est évidemment pas ce qui s’est passé. Il y a donc une «masse manquante» qui, hormis par gravité, n’interagit pas avec le reste de la matière (d’où la difficulté de la détecter), et la matière sombre a été «inventée» pour jouer ce rôle.

Plusieurs théories ont été imaginées par les physiciens pour éclaircir la nature de cette matière sombre, et les plus importantes d’entre elles prédisent que deux «particules sombres» devraient, en se heurtant, s’annihiler en produisant des positrons — c’est-à-dire l’antiparticule de l’électron. L’AMS est précisément conçu pour détecter ces positrons, et ses expérimentateurs ont rapporté la semaine dernière avoir bel et bien enregistré un excès de positrons. À certains égards, d’ailleurs, cet excès ressemble à ce que devrait nous donner l’annihilation de particules sombres : distribution pas mal égale dans toutes les directions (ce qui ne serait pas le cas si les positrons provenaient d’une source unique, comme un pulsar) et quantité qui augmente à des énergies plus grande (alors que ce devrait être le contraire s’ils provenaient de pulsars).

Cependant, fait remarquer Pour la science, ces collisions de particules sombres devraient aussi, en plus des positrons, générer des photons (des «particules» de lumière) de très haute énergie, mais rien qui ressemble à cela n’a été observé. «Il faudrait alors imaginer des modèles de matière noire très atypiques pour que son annihilation ou sa désintégration soit compatible avec toutes les mesures. La piste des pulsars semble la plus raisonnable», lit-on dans le magazine.

Fait un peu étrange, cependant, ce dernier est le seul qui évoque ces «photons manquants» pour éliminer la possibilité d’une détection de matière sombre. La revue Science n’en souffle pas un mot dans un article publié aujourd’hui (abonnement nécessaire, désolé), pas plus que le New Scientist ne le faisait hier. Celui-ci, cependant, passe sur certaines théories alternatives su sujet de la matière sombre, dont une implique que des «photons sombres» (que l’on devine indétectables) soient produits lorsque deux particules sombres s’entrechoquent. Cela pourrait peut-être concilier le surplus de positrons avec l’absence de surplus de photons énergétiques, mais je m’avance beaucoup plus loin que je ne le devrais, ici.

Y a-t-il un physicien dans la salle ?

Une autre grosse nouvelle est ressortie du Symposium sur la physique des collisionneurs de bosons, qui se tient cette semaine au Japon. Encore que cette fois-ci, c’est à la limite de la «non nouvelle» : d’après une véritable montagne de nouvelles données, la particule que l’on soupçonnait être le boson de Higgs, dont la découverte a été annoncée l’été dernier, semble bel et bien être ce que l’on croyait. Et comme on le devinait il y a quelques mois, elle s’insère jusqu’à présent bien sagement à la place (et avec les caractéristiques) que le Modèle standard prévoyait, ce qui — comme pour l’annonce sur la supersymétrie, plus tôt cette semaine — a de quoi décevoir ceux qui espéraient voir là une «poigne» pour une nouvelle physique.

Le Modèle standard est, grosso modo, la somme de nos meilleures connaissances sur la nature et le comportement de la matière, à son échelle la plus «intime». Il décrit de façon magistrale une foule de choses fondamentales, comme la composition des protons et des neutrons, qui forment le noyau des atomes, ou encore la façon dont plusieurs grandes forces de la nature (comme l’électromagnétisme) sont communiquées. Mais ce Modèle laisse encore de grandes zone dans l’ombre, ne faisant aucune place à la gravité (oups…) et à la «matière sombre», qui constitue plus de 80 % de la masse de l’Univers, mais que nos instruments ne peuvent pas «voir», autrement que par ses effets gravitationnels.

Comme l’explique la physicienne Pauline Gagnon sur son blogue (autres comptes-rendus ici et ici en anglais), ce n’est jamais le boson de Higgs lui-même que l’on détecte, puisqu’il est extrêmement instable, mais plutôt les «fragments» qu’ils laissent en se désintégrant. Le Modèle standard (MS) prévoit que ces «éclats» ne sont pas toujours de même nature (il s’agit parfois de photons, parfois d’autres choses), mais que chaque type de fragment devrait apparaître à une fréquence donnée. Si l’on voyait un écart significatif entre les prédictions du MS et les observations, on pourrait espérer qu’il s’agisse d’une sorte de «fenêtre» ouverte sur une «nouvelle physique» qui sortirait du MS — autant dire un nouvel univers —, mais jusqu’ici, les observations du LHC sont très proches des prédictions standards.

Donc le boson (présumé) de Higgs s’enligne pour être désespérément sage…

L’une des plus importantes théories en «nouvelle physique» des particules, la supersymétrie (ou SUSY, pour les intimes), va ressortir assez amochée du Symposium sur la physique des collisionneurs de hadrons, qui se tient cette semaine à Kyoto, au Japon. Des résultats rendus publics hier à cette conférence viennent en effet d’invalider une grande partie des différentes «versions» de SUSY qui existaient.

Ces résultats émanent d’une des expériences menées au Large Hadron Collider (LHC), cet immense accélérateur de particules situé sous la frontière franco-suisse — et auquel on doit la découverte (selon toute vraisemblance) du fameux boson de Higgs. Cette expérience dont on a peu entendu parlé à cause, justement, de la course à la «particule de Dieu», se nomme LHCb, et qui s’intéresse spécialement à des particules baptisées mésons-B. Ceux-ci sont des assemblages de quarks (des particules élémentaires qui composent notamment les protons et les neutrons) extrêmement éphémères dont l’existence se mesure en fractions de milliardième de seconde. Sitôt formés, ils se désagrègent aussitôt, mais les «éclats» qui en résultent ne sont pas toujours les mêmes.

Le LHCb a ainsi rapporté ici avoir observé pour la première fois un nombre assez grand d’une forme très rare de désintégration où le méson-B se brise en un muon et un antimuon (une autre particule plus ou moins apparentée aux électrons). Le LHCb a pu calculer que cette désintégration se produit une fois à toutes les 300 millions de désintégration.

Or, c’est à peu de chose près ce que prédisait le Modèle standard, qui est notre meilleure (ou moins pire) théorie sur la nature et le comportement de la matière à l’échelle subatomique. Ce n’est pas une mauvaise nouvelle en soi, mais pas nécessairement une bonne non plus, car on sait que ce modèle comporte de grands «trous». Par exemple, on s’est rendu compte il y a assez longtemps en observant les galaxies qu’elles tournent sur elles-mêmes plus vite qu’elles ne le devraient, car la quantité de matière que l’on voit au centre des galaxies grâce à nos télescopes est insuffisante pour que la gravité retienne la matière qui tourne. Il doit donc y avoir, se dit-on, une autre sorte de matière qui n’interagit pas avec la matière ordinaire — et que nos télescopes ne peuvent donc pas voir —, mais dont la masse viendrait compenser. C”est ce que l’on appelle la fameuse «matière sombre».

La supersymétrie est justement une tentative des physiciens d’imaginer ce que pourrait être cette matière sombre, qui serait cinq fois plus abondante dans l’Univers que la matière ordinaire. SUSY suppute en effet que pour chaque particule du Modèle standard, il doit exister un «superpartenaire» beaucoup plus massif, mais très difficile à observer. Cependant, certains se disent que si de telles superparticules existaient, on devrait commencer à en voir dans les autres expériences du LHC — comme ATLAS et CMS, qui se déroulent à des énergies beaucoup plus grande que LHCb et qui ont des chances de générer des particules très massives, comme celles prédites par SUSY —, mais cela n’a pas été le cas jusqu’à présent.

Et puis dans plusieurs versions de SUSY, les mésons-B doivent se désintégrer en muons et en antimuons beaucoup plus souvent qu’une fois par 300 millions. Toutes ces versions semblent donc maintenant condamnées.

Cela ne signifie toutefois pas qu’il faille enterrer la supersymétrie. J’ai pu m’entretenir brièvement, hier, avec le physicien des particules Jean-François Arguin, un ancien des Berkeley Labs qui a maintenant un poste à l’Université de Montréal — et qui assiste justement au symposium, à Kyoto. «Il y a plusieurs paramètres dont on peut changer les valeurs (ce qui donne plusieurs versions différentes de SUSY, ndlr). Les résultats du LHCb défavorisent la supersymétrie pour plusieurs valeurs, mais il reste encore plusieurs versions qui autorisent les valeurs observées.»

Fait un peu cocasse, M. Arguin m’avait dit au début de 2011 que si le LHC ne trouvait pas d’indice de supersymétrie d’ici la fin 2012, alors on pourrait commencer à entretenir des doutes assez «sérieux» à son sujet. Mais quand je le lui ai rappelé, hier, il a éclaté de rire avant de me demander, un sourire dans la voix : «Ah ? J’ai dit ça, moi ?»

À son avis, il faudra attendre encore quelques années avant de magasiner les obsèques de SUSY. «En 2013, on va arrêter le LHC pour un ou deux ans et on va augmenter l’énergie des collisions presque par un facteur deux, ce qui va produire des particules plus massives. Alors je ne m’inquièterais pas avant 2017 ou 2018», a-t-il ajouté.