29 Juin 2018  |  Physique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 04/2018

Un observatoire spatial à la recherche de la matière noire

Codirigée par l’Université de Genève, la mission DAMPE a fait part de ses premiers résultats scientifiques. Une cassure inexpliquée observée dans le domaine des hautes énergies pourrait permettre de remonter jusqu’à la source qui a émis ces particules. Et parmi les sources envisagées, se trouve l’annihilation ou la désintégration de matière noire.

Jamais détectée, la matière noire est pourtant considérée comme un élément important pour la compréhension et l’étude de nombreux phénomènes dans l’Univers. Initiée en 2012 par l’Académie des Sciences Chinoises (CAS) en collaboration avec l’Université de Genève (UNIGE) et l’Institut National de Physique Nucléaire d’Italie (INFN), la mission DAMPE (Dark Matter Particle Explorer), s’est donné pour mission d’en découvrir la trace. Ses premiers résultats ont été publiés dans la revue Nature.
DAMPE est un observatoire spatial chinois de 1900 kg conçu pour étudier les rayons gamma à haute énergie, ainsi que les rayons cosmiques. Avec pour principal objectif la détection d’éventuelles signatures de la matière noire, il a été placé le 17 décembre 2015, sur une orbite héliosynchrone à une altitude de 500 km.
 
Fig. 1. Orbitant à une altitude de 500 km, le satellite DAMPE est un observatoire spatial conçu pour étudier les rayons gamma à haute énergie, ainsi que les rayons cosmiques.
 
 
Une collaboration de plus d’une centaine de scientifiques
La mission DAMPE est le fruit d’une collaboration de plus d’une centaine de scientifiques, techniciens et étudiants de neuf instituts situés en Chine, en Suisse et en Italie. L’équipe du professeur Xin Wu, de la Section de physique de la Faculté des sciences de l’UNIGE, en collaboration avec des scientifiques italiens de l’Institut national de physique nucléaire (INFN) d’Italie (Bari, Lecce et Perugia), a conçu une partie de ce satellite: le Silicon Tungtser Tracker (STK). Cet instrument permet de détecter des traces de particules traversant le satellite, ce qui pourrait donner des informations sur l’origine et la nature de la matière noire.
 
Fig. 2. Coupe du satellite DAMPE. (© UNIGE)
 

Une rupture de spectre détectée avec une précision sans précédent
Au cours de ses dix-huit premiers mois d’activité scientifique, le satellite DAMPE a détecté 1,5 million d’électrons et positons – l’antiparticule de l’électron – issus de rayons cosmiques. Les données concernant ces particules, d’une qualité inédite, ont pu être collectées jusqu’à des niveaux d’énergie très élevés, de l’ordre de quelques téraélectronvolts (TeV), soit l’énergie d’un moustique en vol, mais concentrée dans une seule particule, le tout avec un très faible bruit de fond. Les données collectées par le satellite révèlent la distribution des particules des rayons cosmiques selon leur énergie. Plus l’énergie mesurée est basse, plus les particules sont nombreuses et inversement.
En traçant le nombre de particules ou leur flux en fonction de leur énergie (fig. 3), on devrait s’attendre à observer une courbe qui décroît de façon uniforme. Or, des mesures antérieures, indirectes, effectuées d’une part avec le détecteur terrestre H.E.S.S et, d’autre part, par le télescope spatial Fermi-LAT, indiquaient la présence probable d’une cassure anormale dans cette courbe. C’est ce que montre très clairement DAMPE avec ses données de mesure directe très précises.
 
Fig. 3. Outre la confirmation d’une forme de spectre anormale à une énergie de 0,9 TeV, c’est un point du graphe, situé à 1,4 TeV, qui intrigue nombre de chercheurs. Cet excès d’électrons et de positrons pourrait être un signe indirect de la présence de matière noire.
 

Ainsi, ce qui devait être une courbe régulière présente en réalité une singularité. En effet, DAMPE a détecté une rupture – à savoir une diminution du flux de particules – dans le spectre des électrons et des positons, à une énergie d’environ 0,9 TeV. Cette mesure très précise, qui vient compléter d’autres anomalies déjà observées, réduit considérablement le champ d’investigation des chercheurs. Elle permet d’affiner les modèles expliquant le comportement des flux, et donc d’en définir les sources possibles avec davantage de précision. Mais il y a aussi un autre point anormal, à 1,4 TeV, qui n’est pas du tout dans la courbe et qui révèle un excès d’électrons et de positrons.
L’astrophysicien Chang Jin de l’Académie chinoise des sciences, le leader de la collaboration scientifique, estime que cette cassure dans le spectre pourrait être un signe indirect de matière noire, mais pourrait aussi être associée à des sources inconnues de rayons cosmiques, comme des supernovas ou des pulsars.
 
Fig. 4. Modélisation d’une partie de l’univers et de sa matière noire.
 
 
Dans l’attente de nouvelles données
Le satellite DAMPE a mesuré plus de 3,5 milliards de particules de rayons cosmiques avec la plus haute énergie allant jusqu’à 100 TeV, et notamment 20 millions d’électrons et de positons, avec une résolution énergétique sans précédent. Ainsi, de nouvelles données permettront prochainement une mesure plus précise du spectre des électrons et des positons des rayons cosmiques, jusqu’à une énergie dix fois supérieure à celle des premiers résultats fournis par DAMPE.
Les scientifiques seront également en mesure d’explorer les caractéristiques spectrales potentiellement générées par l’annihilation et la désintégration de particules de matière noire ou par des sources astrophysiques proches, comme des étoiles à neutrons tournant très rapidement sur elles-mêmes et émettant un flux de particules à la manière d’un phare, les fameux pulsars. «Mais ces premières données représentent déjà une formidable avancée et laissent entrevoir une connexion entre un excès de positons et la désintégration de la matière noire», s’enthousiasme le professeur Xin Wu.
Initialement prévu pour fonctionner pendant trois ans, DAMPE va être prolongé pour deux années supplémentaires. Le satellite devrait ainsi pouvoir collecter beaucoup plus de particules, réduisant encore les incertitudes sur les flux mesurés.
 
Prof. Xin Wu
Faculté des sciences de l’UNIGE
Tél. 022 379 62 72
Xin.Wu@unige.ch


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