15/09/2012

La Matière Sombre Dévoilée par un Ballon Stratosphérique ?

L'expérience ARCADE initiée par la NASA fut lancée en juillet 2006 sous un ballon stratosphérique. Le but initial de ARCADE (Absolute Radiometer for Cosmology, Astrophysics, and Diffuse Emission) était l'étude des ondes radios provenant de vieilles étoiles pour en mesurer la température.

Le ballon emportant son détecteur refroidi à l'hélium liquide, a pu s'élever jusqu'aux confins de l'atmosphère à 40 kilomètres d’altitude.
Mais dès le premier vol, les résultats obtenus ne correspondaient pas, mais alors pas du tout, à ce qui était attendu! Un signal radio isotrope (c'est à dire venant de partout) fut mesuré avec une intensité 6 fois plus élevée que ce qu'on pouvait imaginer en bruit de fond...

Lancement de ARCADE (NASA)
Après différentes campagnes de mesures, les résultats étaient toujours similaires... C'est en janvier 2009 lors d'une conférence scientifique de l'American Astronomical Society, que Alan Kogut et Michael Seiffert, responsables de l'expérience à la NASA, ont annoncé leur découverte.

Depuis lors, des tentatives d'explications "classiques" ont été essayées, impliquant tous les objets émetteurs de photons dans le domaine radio, comme des radio galaxies, des objets compacts, mais aucune de ces hypothèses n'a permis d'expliquer ce signal radio isotrope...

Les physiciens se sont donc naturellement tournés vers des origines moins conventionnelles. Et c'est en décembre 2011 qu'une équipe italo-espagnole menée par N. Fornengo publie dans Physical Review Letters la première explication impliquant la matière sombre et qui marche! 
Ils montrent que si les WIMPs ont un taux d'annihilation de type thermique (ce qui est généralement attendu), et que si leur voie principale d'annihilation est la voie "leptonique" : en produisant des électrons et des antiélectrons de grande énergie, et bien ces particules secondaires doivent rayonner des ondes radio par effet synchrotron en s'enroulant autour des champs magnétiques des galaxies... La multitude de points source de ce rayonnement, correspondant aux multitudes de WIMPs s'annihilant, produirait évidemment le signal isotrope observé, avec la bonne intensité. Ils concluent leur article en lançant un appel aux futurs radiotélescopes géants (comme ATCA et EVLA) qui devraient pouvoir investiguer dans le détail ce signal mystérieux.
Schéma de l'instrumentation ARCADE

Et à peine quelques mois plus tard, en mars 2012, une autre équipe, américaine, dirigée par Dan Hooper du FermiLab à Chicago, probablement vert de s'être faits grillé sur le fil par des européens, se penche à son tour sur les données de ARCADE-2 et montre elle aussi que les niveaux de signal radio collent tout à fait avec ce qui devrait être observé si les WIMPs s'annihilent en leptons (électrons, muons, taus), et si ces WIMPs ont une certaine masse, de l'ordre de la dizaine de GeV.
Ils ont ensuite regardé quelles seraient des autres implications astrophysiques de telles WIMPs de 10 GeV s'annihilant de cette façon.
Ils en concluent que de nombreux autres signaux mal ou pas compris aujourd'hui deviennent tout à fait compatibles avec l'annihilation de ces WIMPs : 
  • une grande fraction du fond gamma isotrope - et bien étrange - mesuré par le satellite Fermi, 
  • les gamma observés en provenance du centre galactique, 
  • le signal synchrotron des filaments de notre galaxie,
  • l'excès mesuré à l'intérieur de notre galaxie par le satellite WMAP (la fameuse "brume" de WMAP)
Rien que ça. 
Mais ce n'est pas tout : la carte d'identité de la WIMP miraculeusement responsable de tous ces signaux aurait donc une masse de 10 GeV, masse qui collerait également avec tous les événements qui ont pu être détectés (ou pseudo détectés) par les manips en souterrain : CoGent, DAMA et CRESST....

L'énigme de la Matière Sombre aurait-elle été dévoilée par un petit ballon stratosphérique ?


Sources :
Possibility of a Dark Matter Interpretation for the Excess in Isotropic Radio Emission Reported by ARCADE 
N. Fornengo, et al.   Physical Review Letters Volume 107, Issue 27  (30 December 2011)

The Isotropic Radio Background and Annihilating Dark Matter
Dan Hooper et al.     ArXiv:1203.3547v1 19 mars 2012