mercredi 19 mai 2021

Rayons cosmiques galactiques : détection d'une bosse dans le spectre des noyaux d'hélium


[ASTROPARTICULES] Dans le précédent épisode, nous parlions des photons gamma ultra-énergétiques qui sont produits par les rayons cosmiques les plus énergétiques que sont les protons, mais il existe aussi des rayons cosmiques de masse plus élevée, constitués de noyaux atomiques de toutes masses, et notamment de noyaux d'hélium qui sont les seconds les plus abondants, loin derrière les protons. La collaboration DAMPE vient de publier ses nouveaux résultats sur la mesure des flux de  noyaux d'hélium du rayonnement cosmique, avec une précision inégalée, une publication dans Physical Review Letters.

Depuis plus de 5 ans, DAMPE (DArk Matter Particle Explorer) tourne autour de la Terre pour mesurer les rayons cosmiques de toute nature. La collaboration éponyme a analysé 4 ans et demi de données et a découvert des caractéristiques spectrales qui ne correspondent pas aux prévisions. Le détecteur DAMPE n'est pas adapté pour détecter les particules de ultra-haute énergie comme celles dont nous parlions récemment mais la gamme d'énergie qu'il offre est suffisamment large pour s'étendre au delà de ce que peuvent fournir d'autres expériences du même type comme AMS-02, et surtout, avec une très bonne précision dans la mesure du flux en fonction de l'énergie.
Francesca Alemanno (INFN, Laboratoire du Gran Sasso) et ses collaborateurs italiens et chinois présentent le spectre en énergie des noyaux d'hélium entre 70 GeV et 80 TeV, soit jusqu'à une énergie 10 fois plus grande que leur concurrent direct AMS-02 (un détecteur installé sur l'ISS) et 100 fois plus grande que la précédente expérience de précision qui était nommée PAMELA. 

Comme on ne peut pas déterminer la direction d'origine des rayons cosmiques primaires, que ce soient des protons ou des noyaux d'hélium, du fait de leurs multiples déflections par les champs magnétiques, c'est en analysant la forme particulière de leur spectre en énergie (comment se répartit leur nombre en fonction de leur énergie) que les physiciens des astroparticules espèrent découvrir des indices sur leur mode de production. La forme du spectre peut également donner des indications sur les champs magnétiques de la galaxie qui sont responsables de la propagation particulière de ces particules.
Et le spectre en énergie des noyaux d'hélium réserve des surprises... Ce qu'observent les chercheurs de DAMPE, c'est une augmentation du flux des noyaux d'hélium à partir de 1,3 TeV, jusqu'à un maximum qui est atteint à une énergie d'environ 34 TeV, puis le flux décroît ensuite lorsque l'énergie augmente. Et cette décroissance, (cet adoucissement du spectre comme disent les astroparticulistes) est observée avec une très bonne précision pour la première fois. Deux autres expériences de mesure des rayons cosmiques avaient entrevu un adoucissement du spectre à quelques dizaines de TeV en 2017 (les expériences CREAM et NUCLEON), mais avec des incertitudes statistiques très grandes qui ne permettaient pas de conclure définitivement sur cette décroissance du flux.
Il y a donc une bosse à 34,4 TeV  dans le spectre des noyaux d'hélium, avec une signifiance statistique de 4,3 sigma, donc bien robuste. Reste maintenant a essayer de comprendre qu'est ce qui peut en être la cause. Or, ce qui est très intéressant, c'est que DAMPE avait publié en 2019 le spectre en énergie des protons, eux entre 40 GeV et 100 TeV et ce spectre montrait lui aussi une bosse caractéristique mais centrée à 13,6 TeV.
En comparant ces deux résultats, les chercheurs chinois et italiens trouvent que l'énergie du maximum est cohérente avec une dépendance avec la charge électrique plutôt qu'avec la masse (le noyau d'hélium possède une charge électrique 2 fois plus grande que le proton mais une masse 4 fois plus grande). Cela va donner du grain à moudre pour les astrophysiciens théoriciens. Cependant les incertitudes respectives sur l'énergie qui correspond au sommet de la bosse : 34,4 [+6,7 ; -9,8] TeV pour l'hélium et 13,6 [+4,1 ; -4,8] TeV pour les protons, ne permettent pas d'exclure définitivement l'existence d'un facteur 4 entre les deux, lorsque l'on prend les extrêmes des barres d'erreurs de l'un et de l'autre, et donc on ne peut pas exclure totalement une dépendance avec la masse du noyau, selon Alemanno et ses collaborateurs... mais il doit bien exister un lien entre les deux types de noyaux.
Ces nouvelles données qui viennent compléter utilement les données obtenues par la collaboration il y a deux ans sur les protons et qui confirment les indices aperçus il y a quatre ans par d'autres sur les noyaux d'hélium vont permettre d'avancer dans la compréhension de l'origine physique des rayons cosmiques galactiques, et pourquoi pas des processus qui impactent leur propagation. Les physiciens de la collaboration DAMPE estiment maintenant pouvoir étendre les mesures de leur détecteur spatial à un peu plus haute énergie avec de nouvelles détections ainsi qu'en améliorant toujours plus leur procédés d'analyse de données. 

Source

Measurement of the Cosmic Ray Helium Energy Spectrum from 70 GeV to 80 TeV with the DAMPE Space Mission
F. Alemanno et al. (DAMPE Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 126, (18 May 2021)


Illustrations

1) Spectre en énergie des noyaux d'hélium détectés par DAMPE (F. Alemanno et al.)
 
2) Vue d'artiste du détecteur spatial DAMPE (Collaboration DAMPE)

3) Spectre en énergie des protons mesuré par DAMPE en 2019 (An et al.)