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LHCb lève un pan du voile sur la création d’antimatière dans les collisions cosmiques

 LHCb lève un pan du voile sur la création d'antimatière dans les collisions cosmiques

Ce résultat pourrait aider à déterminer si l’antimatière observée par les expériences dans l’espace provient ou non de la matière noire

Lors de la conférence Quark Matter et des récentes Rencontres de Moriond, la collaboration LHCb a présenté les résultats d’une analyse réalisée sur des collisions de particules au Grand collisionneur de hadrons (LHC), qui pourrait apporter des éléments sur une question importante : l’antimatière observée dans l’espace provient-elle de cette matière noire qui assure la cohésion des galaxies, telles que la Voie lactée ?

Des expériences menées dans l’espace, telles que le Spectromètre magnétique alpha (Alpha Magnetic Spectrometer - AMS), détecteur assemblé au CERN puis arrimé à la Station spatiale internationale, ont déterminé la fraction d’antiprotons (équivalents des protons dans l’antimatière) dans les rayons cosmiques, particules de haute énergie. Ces antiprotons pourraient provenir de collisions entre particules de matière noire, mais ils pourraient aussi se former dans d’autres circonstances, par exemple lorsque des protons entrent en collision avec les noyaux atomiques présents dans le milieu intersidéral, constitué principalement d’hydrogène et d’hélium.

Pour savoir si l’un de ces antiprotons provient ou non de la matière noire, il faut déterminer avec quelle fréquence ces antiprotons sont produits dans les collisions proton-hydrogène, et proton-hélium. Des mesures ont déjà été réalisées s’agissant des collisions proton-hydrogène ; par ailleurs, la toute première mesure concernant des collisions proton-hélium a été effectuée en 2017 par LHCb ; elle ne portait cependant que sur la production d’antiprotons primaires, c’est-à-dire des antiprotons produits précisément au point de collision.

Une collision proton-proton enregistrée par le détecteur LHCb. On voit la trace suivie par un antiproton produit lors de la collision. (Image : CERN)

Dans sa nouvelle étude, l’équipe de LHCb a également recherché les antiprotons produits à une certaine distance du point de collision, lors de la désintégration de particules appelées antihypérons. Pour réaliser cette nouvelle mesure, et la précédente, les scientifiques de LHCb ont utilisé, non pas les données issues des collisions proton-proton, comme ils le font habituellement, mais des données issues de collisions proton-hélium obtenues en injectant de l’hélium gazeux à l’endroit même où les faisceaux de protons du LHC entrent normalement en collision.

En analysant un échantillon de données provenant de quelque 34 millions de collisions proton-hélium, et en comparant le rapport entre le taux de production des antiprotons provenant de la désintégration des antihypérons et celui des antiprotons primaires, les scientifiques de LHCb ont constaté que, dans la gamme de l’énergie de collision de leur mesure, les antiprotons produits par la désintégration d’antihypérons contribuent bien plus à la production totale d’antiprotons que ce que prévoient la plupart des modèles décrivant la production d’antiprotons dans les collisions proton-noyau.

« Ce résultat vient compléter notre précédente mesure de la production primaire d’antiprotons et améliorera les prédictions des modèles, souligne Chris Parkes, porte-parole de l’expérience LHCb. Cette amélioration pourrait à son tour aider les expériences réalisées dans l’espace à trouver des indices de la matière noire. »

« La technique consistant à injecter du gaz au point de collision de LHCb a été conçue à l’origine pour mesurer la taille des faisceaux de protons, explique Niels Tuning, coordinateur pour la physique de LHCb. Cela nous permet de progresser encore sur la question de la fréquence de production de l’antimatière dans les collisions cosmiques entre protons et noyaux atomiques, et c’est très bien ! »

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