Deux détecteurs se taisent momentanément sur Terre ... Un autre dans le Ciel va bientôt parler

Après un Higgs en 2012, un Wimp (ou toute autre particule de matière noire) pour 2013 ? 

Si l'on veut avoir une idée de ce que certains physiciens des particules ont pensé de l'année 2012 en terme de résultats expérimentaux et espèrent comme récolte pour l'année 2013, le blog Résonaances offre un point de vue intéressant. En tête des évènements marquants de l'année précédente figure évidemment la découverte de ce qui a tout l'air aujourd'hui d'être un boson scalaire de Higgs par les détecteurs ATLAS et CMS. Or depuis le 14 février 2013 l'accélérateur qui produit ce genre de particule a été arrêté pour de long travaux de maintenance et de consolidation qui devraient prendre deux années. 

"Quand les temps sont durs on tourne ses yeux vers le ciel" dixit Jester ou plus précisément Adam Falkowski  l'auteur du blog en question). Or dans ce billet daté du 18 janvier il est question de l'expérience AMS-02 qui  devrait présenter ses premiers résultats en début d'année 2013. Cette expérience est comme le montre la figure ci-dessous montée sur la Station Spatiale Internationale et n'est rien de moins que le détecteur de particules le plus sophistiqué jamais envoyé dans l'espace (et aussi le plus cher, ce que le New York Times ne manque pas de rappeler lors de cette entrevue avec le physicien américain à la tête de cette lourde expérience, l'illustre prix Nobel : Samuel Ting). 

Cette vue montre la Station Spatiale Internationale ISS avec la navette spatiale Atlantis amarrée à droite et un vaisseau russe Soyouz arrimé, en haut à gauche. Dans la partie inférieure droite au premier plan, on voit le spectromètre magnétique Alpha (AMS-2), installé durant la mission STS-134.

Le rôle de ce détecteur est d'analyser les flux de rayons cosmiques chargés (dont on a fêté le centenaire de la découverte en 2012), en mesurant en particulier leur spectre énergétique (comme l'indique le nom du détecteur). Les ambitions des scientifiques qui utilisent cet outil sont naturellement à la hauteur de son coût. Il s'agit rien de moins que d'apporter des éléments de réponse aux grands mystères de l'astrophysique contemporaine : existe-t-il de l'antimatière dans l'univers (AMS peut aussi être l'acronyme de Anti-Matter in Space), existe-t-il de nouvelles formes de matière comme les étrangelets et quelle est la nature de la matière noire ? Les physiciens des astroparticules espèrent en particulier voir la trace, indirecte, d'une particule massive interagissant faiblement autrement dit un WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) ...

Evitant de succomber au charme des annonces fracassantes, Samuel Ting reste un physicien prudent...

... comme il l'était déjà en 1974, lorsqu'il n'annonça la découverte d'une nouvelle particule (la résonance J/ψ) qu'après de nombreux et méticuleux tests effectués pour éliminer toute erreur d'interprétation de mesures. La lecture de sa conférence Nobel de 1976 est une magnifique illustration de cette rigueur; oui car cette découverte lui vallut d'être récompensé deux ans après seulement (et conjointement avec Burton Richter) par le fameux prix montrant bien l'importance de cette découverte qui marqua un tournant pour la physique des particules (connu sous le nom de Révolution de Novembre 1974 !).

It was only in November of 1974 that the discovery of the J/ψ meson – a m=3.1 GeV particle immediately recognized as a charm-anticharm bound state- convinced particle physicists that the quark model of hadrons was not a mathematical construct but a truthful description of reality. 

Ce n'est qu'en Novembre 1974 que la découverte du méson J / ψ – une particule de masse  égale à 3,1 GeV immédiatement reconnue comme formée d'une paire charme-anticharme – convainquit les physiciens des particules que le modèle des quarks pour les hadrons n'était pas qu'une construction mathématique mais aussi une description véridique de la réalité.

Tommaso Dorigo, Top quark: a short history – part I November 15, 2007

... mais qui doit maintenant présenter des résultats (rendre des comptes?) à la communauté scientifique et au public !

Ces derniers jours la blogosphère, dans ses dimensions institutionnelle et publique, bruisse d'une annonce imminente des premiers résultats de l'expérience AMS-2 que dirige Ting; résultats qui suscitent beaucoup d'attente comme on  l'a déjà dit et comme le prouvent les extraits suivants :

Ting did say that he is on the verge of releasing a paper showing how the ratio of positrons (the antimatter counterpart of electrons) to electrons passing through the space station’s near-Earth orbit varies with energy. That ratio is a key parameter in the search for dark matter, which is thought to make up 85% of the matter in the Universe. Some theories predict that dark-matter particles will annihilate in space, producing an excess of positrons that particle detectors can capture. At least two space missions, the Payload for Antimatter Exploration and Light-nuclei Astrophysics (PAMELA) and the Fermi space telescope, have already seen hints of such an antimatter excess, but they have not captured a killer signature. Ting hopes that his more sensitive spectrometer can nail the signal, which would show up as an abrupt bump in the excess at a particular energy. Alternative astrophysical sources, such as pulsars, could also produce an excess, but couldn’t as easily produce a sharp bump. 

Ting a déclaré qu'il est sur ​​le point de publier un article montrant comment le rapport du flux des positrons (l'homologue d'antimatière des électrons) sur celui des électrons traversant l'orbite de la station spatiale [internationale] varie avec l'énergie. Ce ratio est un paramètre clé dans la recherche de la matière noire, qui est supposée représentée jusqu'à 85% de la matière dans l'Univers. Certaines théories prédisent que les particules de matière sombre peuvent s'annihiler dans l'espace, produisant un excès de positrons que les détecteurs de particules peuvent capturer. Au moins deux missions spatiales, PAMELA (Payload for Antimatter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) et le télescope spatial Fermi, ont déjà vu des indices d'un tel excès d'antimatière, mais ils leur manquent une signature irréfutable. Ting espère que son spectromètre plus sensible pourra capturer cette signature, qui apparaîtrait comme un maximum marqué dans la courbe d'évolution du ratio positrons sur électrons à une énergie caractéristique. D'autres sources astrophysiques, comme les pulsars, pourraient aussi produire un excès d'antimatière mais elles ne pourraient pas aussi facilement produire un maximum aussi aigu.

Eugenie Samuel Reich, Blog Nature Dark-matter search from the space station continues to tease 17/02/13

L'enthousiaste, le sceptique et le spécialiste
Suite à cette première conférence de presse de Ting qui n'a rien laissé filtrer d'une éventuelle découverte, l'attente ne fait que croître parmi les scientifiques enthousiastes qui espèrent quelque chose de nouveau et d'aussi (ou de plus in)attendu que le Higgs, quelque chose qui marquerait vraiment l'entrée de la physique des astroparticules dans une nouvelle aire, une découverte semblable par exemple à celle de l'antimatière en 1932 : lorsque Carl David Anderson observa dans des rayons cosmiques le premier positron  grâce à une chambre à brouillard. Un célèbre promoteur des théories supersymétriques, lesquelles sont à la base des prédictions sur les Wimps, compte les jours espérant que ses attentes seront comblées et ses vues sur la physique de l'infiniment petit confirmées (comme le furent celle de Dirac qui avait prédit l'existence de l'antimatière en 1928).  

These observations may turn out to be a de facto discovery of the dark matter particle – whose mass (if it is WIMP) is theoretically expected to be between 30 and 1,000 GeV; AMS is looking for electron-positron traces assuming that the mass is between 0.5 and 350 GeV...  The fascinating possibility is that the new hypothetical particles – if they exist at all – could be observed by three entirely different methods almost simultaneously: by seeing their annihilation through AMS-02; by directly detecting them in the direct search experiments under the ground; and by producing them at the LHC. It would be almost like an instant proof of God by seeing the Father, Son, and Holy Ghost in the same year. ;-) 

Ces observations peuvent se révéler être une découverte de facto d'une particule de matière noire - dont la masse (si c'est un WIMP) devrait théoriquement se situer entre 30 et 1000 GeV; AMS est à la recherche d'une signature dans le ratio électron-positron pour une plage de masse qui se situe entre 0,5 et 350 GeV ... Une perspective fascinante serait que les nouvelles particules hypothétiques - si elles existent - pourraient être observées par trois méthodes complètement différentes et presque simultanément : en voyant leur annihilation par AMS-02, directement en les détectant dans les expériences de recherche directe sous terre, et en les produisant au LHC. Ce serait presque comme une preuve instantanée de Dieu en voyant le Père, le Fils et le Saint-Esprit dans la même année. ;-)

Lubos Motl, Blog The Reference Frame AMS-02 dark matter results in 2-3 weeks 18/02/13

D'autres physiciens blogueurs, au vu de résultats précédents pas assez conclusifs sont plus circonspects. 

The PAMELA and FERMI satellites launched in the previous decade have been providing us with precise measurements of the high energy cosmic ray spectra. One thing we definitely have learnt is that it is painstaking to search for dark matter this way. Several excesses over theoretical predictions have been reported so far: PAMELA's positrons, Fermi's electrons, Fermi's photons from the galactic centre. They all have a plausible interpretation in terms of models of dark matter and an equally plausible interpretation in terms of boring astrophysicalphenomena. AMS may provide more input regarding the high energy spectra. As can seen in the plots of the projected sensitivity, after 10 years of data taking they expect to extend the measurement of the positron and antiproton spectra up to almost TeV (compared to the current reach of PAMELA of about 200 GeV).

 Simulation (disques colorés) de spectres énergétiques du flux relatif de positrons telle qu'ils seraient obtenus après dix ans d'accumulation de données par l'expérience AMS-02 (en 2021 ?). Chaque courbe est paramétrée par la masse d'une particule de matière noire (wimp) utilisée dans le modèle. Quelques mesures (cercles) réelles d'expériences antérieures sont aussi visibles à gauche sous la forme de cercles colorés. (d'après Andrei Kounine) 

It's hard to say if these projections are realistic, since it is not clear how much the resolution at high energies is degraded due to the replacement of the superconducting magnet by a weaker permanent one. Assuming they are realistic, particle physicists will be able to refine their models of dark matter, and astrophysicists to refine their models of pulsars. In any case, the chances for a smoking gun signal of dark matter appear slim at this point. 

Adam Falkowski, Blog Résonaances :  AMS is on 23/05/11

Pour terminer sur un document plus technique (plus neutre ?) on peut lire par exemple cet article de revue daté de 2011 sur l'état de l'art de la recherche de matière noire par la physique des astroparticules. Voici un extrait de sa conclusion consacré au détecteur AMS-02.

AMS-02 ... will signicantly improve on current CR observations, especially for positrons and antiprotons. For example, the enhanced particle-identi cation capabilities of AMS-02 will clarify whether the PAMELA positron measurements are contaminated by misidentified protons, and they will extend the positron data to higher energies. This is likely to improve the indirect search for DM in general ... and the interpretation of the PAMELA positron abundance in particular.

T. A. Porter et al. Dark Matter Searches with Astroparticle Data 04/2011