vendredi 11 octobre 2019

Nouveau spectre en énergie des protons du rayonnement cosmique


La collaboration sino-européenne qui exploite le détecteur spatial DAMPE (DArk Matter Particle Explorer) a publié ses derniers résultats sur les protons du rayonnement cosmique, jusqu'à une énergie de 100 TeV. On y découvre clairement deux bosses dans le spectre en énergie, qui indiquent l'existence probable de plusieurs sources de protons énergétiques distinctes. Une étude publiée dans Science Advances.




DAMPE, aussi appelé Wukong en Chine, a été lancé il y a quatre ans avec un triple objectif scientifique : étudier les propriétés de la matière noire en mesurant avec précision les rayons gamma et les électrons de haute énergie, étudier les origines possibles des rayons cosmiques via la mesure précise de noyaux lourds et d'électrons énergétiques, et enfin, étudier les caractéristiques de la propagation et de l’accélération des rayons cosmiques

La mesure précise du spectre en énergie des protons du rayonnement cosmique, qui en forment la composante principale, est indispensable pour comprendre leur origine et comment ils sont accélérés dans la Galaxie. Cette étude de la collaboration DAMPE est une synthèse de deux ans et demi de données enregistrées par le satellite-détecteur de particules et antiparticules (du 1er janvier 2016 au 30 juin 2018). L'énergie cinétique des protons détectés s'étale ici entre 40 GeV et 100 TeV. C'est la première fois que des protons du rayonnement cosmique sont mesurés directement et avec une excellente précision jusqu'à une énergie de 100 TeV (100 000 milliards d'électron-volts, ou 100 000 fois l'énergie de masse du proton si on préfère). Le spectre obtenu vient confirmer des observations antérieures effectuées avec d'autres détecteurs comme AMS-02 (toujours en fonction sur l'ISS) ou PAMELA qui montraient un durcissement du spectre vers 300 GeV (le flux cesse de décroître et tend même à croître). 
Mais DAMPE va beaucoup plus haut en énergie que ces expériences. Ces nouvelles données montrent effectivement le flux de protons qui augmente clairement en fonction de l'énergie au dessus de quelques centaines de GeV jusqu'à atteindre un maximum vers une dizaine de TeV puis il redescend. Le début de cet adoucissement du spectre en énergie des protons est situé exactement à 13,6 TeV d'après l'analyse des physiciens des astroparticules. 
Il apparaît ainsi nettement deux grosses bosses dans la répartition en énergie du flux de protons du rayonnement cosmique. Ce résultat inattendu suggère que plusieurs sources de protons coexistent et pourraient être relativement proches. Mais ces sources seraient de nature différentes, produisant des protons d'énergie très différentes, menant aux deux populations observées. Le durcissement du spectre en énergie observé aux environs de 300 GeV peut aussi être produit par des mécanismes d'accélération ou des effets de la propagation galactique, selon les chercheurs de la collaboration DAMPE.
Mais les astroparticulistes notent un détail subtil : l'énergie à laquelle la deuxième bosse commence à décroître (environ 10 TeV) est la même que celle où est observé le maximum de l'anisotropie du flux de rayons cosmiques à grande échelle : le signe d'une source proche... Il faut rappeler ici qu'il est très difficile de déterminer la direction d'origine réelle des rayons cosmiques galactiques parce qu'ils subissent sans arrêt des courbures de leur trajectoire à cause des champs magnétiques un peu désordonnés qu'ils rencontrent sur leur trajet. On ne peut que mesurer des faibles différences de flux à grande échelle, des variations par rapport à une distribution isotrope (identique dans toutes les directions), ce qu'on appelle une anisotropie du flux. Plus l'anisotropie est marquée, plus la source doit être proche de nous.
La deuxième bosse du spectre en énergie pourrait donc bien être le résultat d'une source de protons énergétiques relativement proche de nous dans la Galaxie.

L'existence de cette double bosse dans le spectre des protons va à l'encontre du paradigme d'un spectre ayant une distribution monotone jusqu'à la gamme du peta-électronvolt. Les chercheurs chinois et européens de DAMPE en concluent évidemment que le modèle décrivant les rayons cosmiques galactiques doit être révisé en profondeur.


Source

Measurement of the cosmic ray proton spectrum from 40 GeV to 100 TeV with the DAMPE satellite
DAMPE Collaboration,
Science Advances  Vol. 5, no. 9, eaax3793 (27 Sep 2019:)


Illustration 

Spectre en énergie des protons mesuré par DAMPE (DAMPE Collaboration)