Section efficace de production d'antiprotons dans les collisions de protons du LHC avec des noyaux d'hélium en fonction de l'énergie des antiprotons dans différentes gammes d'énergie. Certains des modèles les plus populaires utilisés en physique des rayons cosmiques sont représentés par les lignes pleines colorées, et les résultats de LHCb sont les points de données superposés. La dispersion parmi les prédictions du modèle indique la grande incertitude sur la valeur de la section efficace de production d'antimatière dans les collisions proton-hélium avant la mesure de LHCb. Il faut noter que l'échelle verticale est logarithmique, donc un petit déplacement vertical (des points de données) correspond à une grande différence réelle par rapport aux modèles théoriques, représenté par les lignes colorées. Crédit :collaboration LHCb
La semaine dernière aux 52e Rencontres de Moriond EW à La Thuile, Italie, l'expérience LHCb a présenté les résultats d'une étude inédite et inhabituelle. Au lieu des collisions proton-proton habituelles, cette fois le détecteur LHCb a enregistré des collisions entre protons et noyaux d'hélium, qui ont été injectés près du point d'interaction de l'expérience. Ce type de collision n'est généralement visible que bien au-dessus de l'atmosphère terrestre, où les particules de rayons cosmiques - des particules hautement énergétiques provenant de l'extérieur du système solaire - frappent la "poussière" interstellaire principalement composée d'hydrogène et d'hélium, et sont détectés par des expériences satellitaires. Les scientifiques veulent mieux comprendre ce processus et, en particulier, tentent de comprendre combien d'antiprotons sont créés lorsque les protons hautement énergétiques des rayons cosmiques frappent les noyaux d'hélium du milieu interstellaire.
La raison ultime en est la recherche de signaux de 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 matière-énergie de notre univers, mais son origine est encore inconnue. Si la matière noire est constituée d'une sorte de particules stables (encore inconnues), dont l'existence est prévue dans de nombreuses extensions du Modèle Standard de la physique des particules, ces particules de matière noire pourraient entrer en collision et produire des particules et des antiparticules ordinaires, notamment des antiprotons.
Cependant, des antiprotons peuvent également être créés via la collision de protons de rayons cosmiques avec des noyaux d'hydrogène et d'hélium dans le milieu interstellaire. Par conséquent, un signe potentiel de la présence de matière noire pourrait être l'observation d'un nombre d'antiprotons dépassant celui attendu des processus « standards ». Et en effet, les expériences spatiales PAMELA et AMS-02 ont trouvé exactement un tel excès intrigant d'antiprotons par rapport aux protons dans les mesures des rayons cosmiques, avec un niveau de précision impressionnant.
Eurêka ? Pas encore, malheureusement, comme notre compréhension théorique de la production d'antiprotons à partir de collisions de rayons cosmiques est encore affectée par de grandes incertitudes, en particulier en ce qui concerne la probabilité de production d'antiprotons dans les collisions proton-hélium (la "section efficace"). Une détermination précise du nombre attendu d'antiprotons provenant des rayons cosmiques a été impossible jusqu'à présent, empêchant ainsi une interprétation directe des résultats des expériences satellitaires.
Un exemple d'événement de collision proton-hélium entièrement reconstruit dans le détecteur LHCb. La particule identifiée comme un antiproton est représentée en rose. Crédit :collaboration LHCb
C'est ici qu'intervient l'expérience LHCb. L'idée d'injecter des gaz nobles - comme le néon, l'hélium et l'argon - dans le tube du faisceau près de la région d'interaction a été proposé pour diverses raisons liées aux mesures de la luminosité du faisceau de protons. Mais son potentiel a été rapidement reconnu par les physiciens de LHCb et leurs collègues travaillant en physique des astroparticules :la technique d'injection de gaz pourrait également être utilisée pour simuler l'environnement cosmique et mesurer, pour la première fois, la section efficace de production d'antiprotons dans les collisions proton-hélium.
Les données de collision proton-hélium utilisées dans cette analyse ont été enregistrées début mai 2016. Grâce à ses capacités spécialisées dans l'identification de diverses particules, en particulier les antiprotons, l'expérience LHCb a également pu mesurer la section efficace de production d'antiprotons dans une large gamme d'énergies pertinentes, atteindre une précision globale d'environ 10 %. Cette mesure réduit considérablement l'incertitude sur les valeurs de la section efficace de production d'antimatière dans les collisions proton-hélium qui ont été utilisées jusqu'à présent dans les modèles théoriques de rayons cosmiques (voir l'image ci-dessous).
Le résultat de LHCb aura un impact considérable sur les prédictions du nombre d'antiprotons attendus des collisions de rayons cosmiques avec le milieu interstellaire, et la communauté astrophysique est maintenant occupée à l'intégrer dans leurs calculs. Ce travail permettra l'interprétation des données PAMELA et AMS-02 sur le flux d'antiprotons depuis l'espace pour devenir plus contrainte, faire la lumière sur son origine possible de matière noire.
De plus amples informations sur ce résultat sont disponibles sur le site Web de LHCb.
