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Le satellite Pamela a-t-il indirectement détecté la matière noire ?

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L'existence de la matière noire est fortement suspectée mais ne sera définitivement établie que lorsque des preuves vraiment indiscutables seront obtenues. Ce qui semble être un excès de positrons dans les rayons cosmiques détecté par le satellite Pamela pourrait être ce genre de preuve. Mais la prudence reste de mise...

Schéma des instruments équipant Pamela. Crédit : Firenze/INFN

On sait qu'il est très difficile, voire impossible, d'expliquer à la fois la formation des galaxies, les collisions d'amas de galaxies et les courbes de rotation des galaxies sans faire intervenir la présence de particules de matière n'émettant pas de lumière, très différentes de celles que l'on sait fabriquer sur Terre et qui, dans l'Univers, dominent par leur masse celle de la matière normale.

L'une des théories capables d'expliquer la nature de cette matière noire est la supersymétrie, car elle prédit l'existence de nouvelles particules massives stables et interagissant faiblement avec la matière normale. Un bon candidat est le neutralino et son antiparticule. Lors de l'annihilation d'une telle paire de particules, une paire d'électron-positron peut être produite.

De manière générale, si des particules de matière noire existent dans les galaxies et qu'elles sont capables de donner lieu à des paires de particule-antiparticule, alors il devrait apparaître un excès de particules d'antimatière dans le rayonnement cosmique par rapport à la fraction déduite des processus astrophysiques observés et obéissant aux lois du modèle standard.

Des paires de neutralinos en s'annihilant peuvent donner des paires de quark-antiquark donnant lieu à la formation de hadrons et de positrons dans la Galaxie. Les paires de neutralinos peuvent aussi donner lieu par annihilation à deux photons gamma, comme indiqué en bas à gauche. Crédit : INFN

Trop de rayons cosmiques de grandes énergies

Les rayons cosmiques frappant l'atmosphère de la Terre causent d'impressionnantes gerbes de particules secondaires rejoignant le sol, comme le montrent les observations du détecteur Auger. Toutefois, afin d'obtenir des mesures fines des composantes de matière et d'antimatière dans le rayonnement cosmique, il est avantageux de le faire directement en dehors de l'atmosphère terrestre. C'est précisément ce que fait depuis son lancement le 15 juin 2006 le satellite Pamela (acronyme de Payload for Antimatter/Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics).

Les équipes responsables de ses observations, qui analysent aussi bien l'influence de l'activité solaire sur le flux de rayons cosmiques que ses caractéristiques dans la ceinture de radiation, viennent de publier les résultats sur le flux de positrons atteignant la Terre.

Effectivement, au-dessus d'une certaine énergie, ce flux est anormal si l'on considère des sources standards de positrons dans la Voie Lactée, comme des naines blanches accrétant de la matière. S'agit-il de la preuve incontestable tant attendue de l'existence de la matière noire ?

En bleu la courbe théorique du flux de positrons en fonction de l'énergie de ces particule déduite des processus astrophysiques classiques. En rouge les observations de Pamela, l'anomalie est frappante. Crédit : INFN.

Il semble malheureusement qu'il soit encore trop tôt pour une telle conclusion. En effet, le détecteur équipant Pamela sait normalement faire la différence entre un positron et un proton... mais pas de façon parfaite. D'après les études faites au sol, ce qu'on appelle la calibration, il ne devrait confondre un positron avec un proton qu'environ une fois sur 100.000. Mais si une erreur s'est produite dans le processus de calibration du détecteur, ce qui n'est pas rare, alors le signal observé par Pamela pourrait être trompeur. On peut aussi soupçonner une erreur dans la façon dont on calcule le taux de positrons présents dans la Galaxie découlant de sources classiques. On ne peut pas écarter non plus la présence proche de notre Soleil d'une source importante de positrons, non détectée jusqu'à présent, comme par exemple un pulsar, qui aurait comme résultat d'augmenter localement le flux de positrons.

Ce n'est que si l'on peut recouper ces observations avec d'autres que l'on pourra vraiment être sûr que le flux de positrons anormalement élevé est bien le signal trahissant la présence de la matière noire dans la Galaxie.

Les théoriciens ont d'ores et déjà proposé des candidats pour expliquer ce flux en supposant l'existence d'une nouvelle particule, plus précisément un boson scalaire léger.

Il existe depuis quelque temps une polémique sur les résultats de Pamela, après une récente observation mentionnée par les physiciens de l'expérience CDF du Tevatron, révélant des jet de muons anormaux. Apparemment difficile à expliquer dans le cadre du modèle standard, ce phénomène pourrait peut-être fournir une explication, sous forme de particules scalaires, aux mesures de Pamela. On pourra consulter sur ces sujets les blogs de Tommaso Dorigo et Peter Woit.

Espérons que le LHC, qui devrait être capable de produire et d'identifier clairement les particules de matière noire, si elles existent, nous permettent bientôt d'y voir plus clair...