23/11/2011

Trop de positrons dans le rayonnement cosmique.

En trouvant une façon intelligente d'utiliser la Terre elle-même comme un instrument scientifique, les membres d'une équipe de recherche dirigée par des physiciens du SLAC ont détourné le télescope spatial Fermi - dédié à la détection des rayons Gamma - en un détecteur de positrons. Ils ont pu ainsi confirmer une découverte surprenante de 2009 dans laquelle on trouve un excès de ces particules d'antimatière dans les rayons cosmiques, ce qui pourrait être un signe possible de la matière noire (une détection indirecte via la détection des produits de son annihilation)

Cette découverte de 2009 faite par un instrument appelé Pamela avait déclenché une explosion de spéculations : Est ce que ces positrons supplémentaires - les antiparticules des électrons - proviennent de sources astrophysiques, telles que des pulsars, ou bien d'une origine plus exotique - l'annihilation de particules de matière noire ?  
Les deux hypothèses ont bien sûr chacune leurs partisans. Les pulsars sont des sortes de maelströms de forces magnétiques qui ne sont toujours pas faciles à comprendre, tandis que les particules de matière noire sont tout à fait hypothétiques et issues de théories nouvelles (la supersymétrie, pour ne citer qu'elle) assez complexes.

Les résultats de Fermi, que l'on peut lire ici :  http://arxiv.org/abs/1109.0521 et soumis à Physical Review Letters, ne règlent pas la question de savoir d'où viennent les positrons supplémentaires. Mais ils représentent une confirmation importante des résultats antérieurs de PAMELA, et étendent l'observation à des positrons de plus grande énergie qu'auparavant, ce qui est quand même très intéressant.

Cette confirmation des résultats PAMELA "est extrêmement importante que ce soit la matière noire ou pas", a ainsi déclaré Michael Peskin, physicien théoricien au SLAC et expert en matière sombre. Tout le monde n'avait pas accepté unanimement les résultats de PAMELA, selon Peskin: «Il y avait des doutes que l'effet soit réel."
 (Image Justin Vandenbroucke, Fermi-LAT collaboration.)

Alors que le débat sur les positrons s'amplifiait, l'équipe du SLAC se mettait au travail avec le principal instrument de Fermi, le Large Area Telescope, et a tranquillement commencé à faire le sauter les verrous.
  
Le satellite Fermi n'est pas l'instrument idoine pour chercher des électrons et des positrons. La LAT n'a pas été conçu pour distinguer les électrons et les positrons, il faudrait pour cela pouvoir utiliser un gros champ magnétique...
C'est alors que Roger Romani a proposé d'utiliser la Terre elle même comme aimant et utiliser son champ magnétique pour distinguer électrons et positrons... et la Terre (le corps solide) comme un obturateur du ciel.

Si la matière noire est impliquée, les positrons découverts par Pamela et Fermi signifieraient qu'elle serait formée de  particules massives interagissant faiblement (WIMPs). Plusieurs expériences - HEAT,  CAPRICE, et AMS-01 - avaient déjà trouvé un excès de positrons parmi les particules du rayonnement cosmique à des énergies de plus de 7 GeV. PAMELA a étendu ces mesures à environ 100 GeV. Maintenant, la LAT de Fermi a trouvé un excès de positrons jusqu'à 200 GeV, la plus haute énergie qu'il peut mesurer. Puisque la théorie prédit que l'énergie des positrons en excès serait directement liée à la masse des WIMPs puisque provenant de leur annihilation (E=mc²), cela indiquerait que les particules de matière noire sont vraiment très massives- même plus massives que ne l'aimeraient de nombreux physiciens.

A tel point que la majorité penche plus vers une explication n'impliquant pas les WIMPs mais plutôt une source astrophysique comme les pulsars... 

Mais le problème est plus profond qu'une gueguerre entre pulsars et particules de matière noire. C'est qu'il n'y a aucun moyen de distinguer entre les deux types de sources à ce niveau, et si des positrons d'énergies encore plus élevées continuent à apparaître au fil des futures expériences, comme la plupart le pense, l'explication pulsar risque de devenir également tendue.  
«Je pense qu'il est clair qu'il y a quelque chose d'intéressant», dit Douglas Finkbeiner de Harvard, "mais dire ce que c'est ...." conclue-t-il... 

Alors que les théoriciens débattent sur les tenants et les aboutissants en attendant plus de données, ils peuvent s'entendre au moins sur une chose: les résultats de Fermi-LAT sont un tour de force expérimental. "Je pense que c'est un accomplissement phénoménal», dit Dan Hooper. Peskin a quant à lui qualifié les résultats simplement de «beaux».

source : SLAC
https://news.slac.stanford.edu/features/fermi-gamma-ray-space-telescope-confirms-puzzling-preponderance-positrons


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