Où sont les neutrons de la Galaxie ?

Alors que l’on devrait théoriquement les détecter, les neutrons très énergétiques du rayonnement cosmique, issus de sources galactiques, sont toujours aux abonnés absents. L’expérience IceTop située en Antarctique n’en détecte aucun, comme d’autres expériences avant elle.

Le champ magnétique galactique affecte fortement le parcours des particules chargées qui forment le rayonnement cosmique provenant de sources situées au sein de la Galaxie. Ces particules sont défléchies du fait de leur charge électrique, ce qui les rend difficiles à définir en termes de provenance. Mais il est une particule, à l’instar du neutrino ou du photon, qui ne possède pas de charge électrique et qui n’est donc pas affectée par le champ magnétique : le neutron. Des neutrons sont attendus en tant que particules secondaires dans les phénomènes d’accélération hadronique dans des sources astrophysiques de rayons cosmiques. Ils doivent être produits lorsque les rayons cosmiques primaires, des protons de très haute énergie, viennent interagir avec d’autres protons, ou avec des photons, dans l’environnement proche et dense entourant leur zone de production.  Par exemple, la collision d’un proton avec un photon produit un méson p+ (un pion) et un neutron, qui emporte la quasi-totalité de l’énergie du proton incident.

Une source compacte de neutrons de haute énergie doit ainsi se manifester comme une source ponctuelle dans le ciel. Comme la demi-vie du neutron lorsqu’il est seul (la période de désintégration de la moitié des neutrons par désintégration béta) n’est que de 880 secondes, cela implique que les sources astrophysiques à l’origine des neutrons que nous pourrions observer se trouvent à une distance qui dépend de l’énergie des neutrons en question : la distance de la source des neutrons exprimée en parsecs est égale à 10 fois leur énergie exprimée en PeV (10¹⁵ eV). Les sources d’accélération de particules les plus probables dans le cadre de nos connaissances actuelles sont des pulsars jeunes (des étoiles à neutrons en rotation rapide), et de tels pulsars les plus proches de nous se trouvent à une distance de 100 pc ; il faut donc rechercher des neutrons dont l’énergie est supérieure à 10 PeV.

Plusieurs expériences se sont lancées dans cette recherche depuis plusieurs années. L’Observatoire Pierre Auger, situé en Argentine, a investigué en 2012 et 2014  les flux de neutrons dans l’hémisphère Sud pour des très hautes énergies au-delà de 10¹⁸ eV, et n’a trouvé aucun excès de signal ni de corrélations possibles avec des sources galactiques identifiées. Le Telescope Array en 2015 a, lui, cherché les flux de neutrons dans l’hémisphère Nord au-dessus de 5 10¹⁷ eV, en vain. Il prenait la suite d’expériences antérieures (CASA-MIA en 1998 et KASCADE en 2004) qui n’avaient elles aussi dans l’hémisphère Nord pu que fixer des limites supérieures sur les flux de neutrons.

Une nouvelle étude vient donc de paraître consacrée à la recherche de neutrons de haute énergie issus du rayonnement cosmique, cette fois-ci avec un grand détecteur de gerbes de particules installé en Antarctique, au-dessus du grand détecteur de neutrinos IceCube. Ce détecteur de surface a été appelé IceTop et est exploité par les chercheurs de la collaboration IceCube. Il emploie comme son grand frère sous-glacier le phénomène appelé effet Cherenkov, qui produit un cône de lumière visible lorsqu’une particule très rapide perd de l’énergie dans l’eau (quand sa vitesse dépasse la vitesse de la lumière dans l’eau, qui est 30% inférieure à ce qu’elle est dans le vide ou dans l’air). IceTop est ainsi constitué d’une série de 81 stations réparties sur 1 km², chacune formée de deux cuves de 1,8 m de diamètre remplies de glace, hermétiques à la lumière et chacune bardées de deux photomultiplicateurs de dix pouces.

Le plateau glacé sur lequel est installé IceTop se situe à une altitude de 2835 m, ce qui permet d’être sensible aux composantes électromagnétique et muonique des gerbes de particules secondaires qui sont produites dans l’atmosphère par le neutron énergétique incident. IceTop est ainsi en mesure de détecter des neutrons dont l’énergie est supérieure à 400 TeV (0,4 PeV). Une gerbe de particules secondaires est détectée lorsqu’au moins trois stations sur les 81 sont touchées simultanément (dans une fenêtre temporelle de 5 µs).

Ensuite, les informations enregistrées dans chaque station : position, charge électrique et énergie déposées, durée de pulse, sont traitées pour reconstruire la direction de la gerbe de particules, ainsi que la dimension de son extension spatiale qui fournit une estimation de l’énergie de la particule primaire.

Les physiciens de la collaboration IceCube ont effectué deux types de recherche de neutrons galactiques : une recherche systématique sur tout le ciel, à la recherche d’un excès de neutrons, et une recherche ciblée sur des objets en particulier, déjà connus pour être des sources gamma et potentielles de rayons cosmiques énergétiques, dans le but de trouver une éventuelle corrélation.

Les résultats qui sont à paraître dans The Astrophysical Journal ne révèlent pas de présence de neutrons énergétiques. Que ce soit dans la recherche sur tout le ciel ou bien plus spécifiquement sur des sources identifiées, les seuls résultats que peuvent donner les chercheurs de IceCube sont des limites supérieures sur les flux de neutrons. Entre 100 PeV et 10⁶ PeV, le flux énergétique de neutrons ne dépasse pas 1,2 eV/cm²/s. Aucune corrélation n’est observée avec des sources gamma (d’énergie de l’ordre du TeV) qui pourraient théoriquement produire des neutrons de plusieurs PeV.

Où sont donc ces neutrons prédits par la théorie ? La réponse la plus simple est que les objets à même de produire ces neutrons n’en produisent finalement pas à ces énergies. Il se peut également que ces objets astrophysiques soient plus éloignés que ce qui est estimé ou encore qu’ils émettent des particules sous forme de jets dont l’orientation en direction de la Terre se trouve peu probable.

Une autre piste soulevée par les auteurs de cette étude serait que le milieu entourant les pulsars, a priori à l’origine de l’accélération de ces particules, serait beaucoup moins dense que ce que l’on pense, et que de ce fait, les protons énergétiques s’échapperaient plus facilement et produiraient alors beaucoup moins de neutrons par interactions dans ce milieu.

Indirectement, la non-détection de neutrons galactiques permet aux spécialistes de mieux fixer les contours théoriques expliquant  les autres types de rayonnements cosmiques énergétiques que sont les protons et les photons gamma. Elle permet également  d’apporter des contraintes observationnelles sur des objets astrophysiques dont la connaissance n’est pas parfaite et de remettre en cause certains modèles. L’évidence d’une absence n’est pas l’absence d’une évidence…

Source :

Search for Sources of High Energy Neutrons with Four Years of Data from the IceTop Detector

M. G. Aartsen et al., IceCube Collaboration

Soumis à The Astrophysical Journal

http://arxiv.org/pdf/1607.05614.pdf

Illustrations :

1) Carte du flux de neutrons produite par IceTop (Collaboration IceCube)

2) Une des 81 stations formant IceTop (Collaboration IceCube)

3) Schéma d'une cuve de détection (Nucl.Instrum.Meth. A700 (2013), IceCube Collaboration)