6.6 Techniques de détection de WIMPs
6.6.3 Détection indirecte
Les recherches indirectes exploitent la possibilité que les particules de matière noire peuvent s’annihiler ou décroitre, en produisant des particules du MS qui sont potentiellement détectables à travers différents moyens de détection sur terre et dans l’espace. Les produits résultant transportent des informations précieuses qui pourraient donner des indices sur les propriétés de la matière noire. En outre, les recherches indirectes sondent la distribution spatiale de la matière noire, ce qui est impossible avec des approches directes et dans les accélérateurs. Le principal obstacle de cette méthode est le bruit de fond astrophysique standard, qui rend l’extraction d’un signal potentiel extrêmement complexe.
La possibilité de détecter de la matière noire par annihilation ou par décroissance est basée sur l’hypothèse que celle ci n’est stable que sur des temps cosmologiques, c’est à dire supérieur à l’âge de l’univers. Il résulte aussi que son taux d’annihilation ne doit pas être trop important pour que la quantité de matière noire ne soit pas réduite significativement.
Figure 6.9: Statu des limites sur le section efficace d’annihilation en fonction de mDM
pour la détection indirecte en 2015 [100]. Les limites sont obtenues par les expériences,
H.E.S.S., FERMI, Antares, Ice-Cube, Planck dans les canaux d’annihilation W+W (bleu),
µ+µ (vert) et b¯b (rouge). La section efficace thermique est tracée en ligne grise pointillée.
Les recherches indirectes recherchent des signatures de la matière noire à travers les produits stables appartenant au MS : les photons, les neutrinos, électrons, protons et leurs antiparticules correspondantes. Les limites sur la section efficace d’annihilation données par les expériences de détection indirecte en 2015 sont montrées sur la figure 6.9. Le signal attendu dépend des
6.6 Techniques de détection de WIMPs
propriétés des particules de matière noire. Dans ce manuscrit nous allons nous concentrer sur les recherches de signatures de rayons gamma provenant d’annihilation de la matière noire. Dans la suite du chapitre, nous décrirons le calcul du flux de photons attendu ainsi que les principales cibles pour les observations. Mais d’abord, dans les paragraphes suivants, nous énumérerons les produits détectables les plus pertinentes dans la section suivante.
Les différents messagers
Les rayons cosmiques chargés.
Ils diffusent à travers le champ magnétique galactique depuis leur site de production jusqu’au système solaire, de sorte que, contrairement aux pho-tons et aux neutrinos, on ne peut déterminer leurs origines. Les recherches se concentrent sur l’identification d’un signal de matière noire se caractérisant comme une composante anormale dans le signal isotrope des rayons cosmiques. Étant donné que l’annihilation ou la décroissance de matière noire produit les mêmes quantités de matière et d’antimatière, on cherchera plutôt les antiparticules, puisque pour elles le bruit de fond astrophysique est beaucoup plus faible. Les distributions de positrons et d’anti-protons se révèlent très prometteuses et on cherche à surveiller les écarts au flux classique attendus par rapport à la production de processus astro-physiques standards.Ces dernières années, un certain nombre de rapports ont mis en évidences des caractéris-tiques inhabituelles du spectre de positrons à hautes énergies. L’expérience PAMELA (Payload
for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics1) a constaté une hausse
si-gnificative dans la fraction de positrons ( e+
e++e ) à des énergies jusqu’ à 100 GeV [101], un
comportement en contradiction avec la baisse attendue par les modèles traditionnels de la pro-pagation des rayons cosmiques [102] (Figure 6.10). Ce résultat a été corroboré par des mesures du satellite Fermi-LAT pour des énergies allant jusqu’à 200 GeV [103]. Les derniers résultats
proviennent des mesures de haute précision d’AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer-022) qui
se prolongent jusqu’à 350 GeV [104]. Ces mesures confirment la hausse jusqu’à des énergies de 250 GeV et au-dessus desquelles il semble exister un aplatissement du spectre (Figure 6.10). Il existe de nombreux modèles proposant une explication incluant de la matière noire [105, 106] qui peuvent justifier le processus observé. Cependant, elles ne sont pas corroborées par d’autres mesures (par exemple, l’excès de positrons devrait être accompagnée par un excès de photons à d’autres longueurs d’onde, ce qui est pas le cas). Il existe aussi une explication plus classique, qui propose que les particules pourrait être accélérées par des pulsars à proximités de notre système solaire [107].
Un autre produit stable de l’annihilation ou décroissance de matière noire sont les anti-protons. Ces anti-protons peuvent être créés à partir de la décroissance des produits primaires. Toutefois, les mesures actuelles du flux d’anti-proton ne montrent aucun écart par rapport aux prévisions sur les sources astrophysiques locales [108]. L’anti-deutérium est un autre messager possible. Si il provient de la matière noire, son spectre devrait être beaucoup plus plat que
1. http ://pamela.roma2.infn.it/index.php 2. www.ams02.org
6. La matière noire
la composante astrophysique standard. Il n’y a pour l’instant pas assez de statistiques pour conclure sur de telles spéculations.
Figure 6.10: La fraction de positron en fonction de l’énergie mesurée par AMS-02 (rond rouge), PAMELA (carré bleu) et le satellite Fermi (triangle vert).
Les neutrinos
eux ne sont pas déviés par les champs magnétiques et peuvent ainsi nous renseigner sur leur source d’origine. Ils ne se couplent pas avec le secteur électromagnétique et leur interaction avec la matière est extrêmement faibles, cependant, ils peuvent être détectésdans des détecteurs profondément enfouis sous l’eau (ANTARES1) ou sous la glace (IceCube2).
Les neutrinos devrait être produits en grandes quantités dans l’annihilation ou la décroissance de matière noire. Si les produits primaires de ces processus sont des leptons lourds, leur désin-tégration conséquente en leptons plus légers sera accompagnée par l’émission de neutrinos. Si les produits primaires sont des bosons de gauge, des neutrinos sont également produits dans
leur décroissance en leptons (pour W± et Z) et des paires de quarks (pour Z). En outre, si le
boson Z est parmi les produits primaires il peut décroitre directement en une paire de neutrinos. La décroissance directe dans une paire de neutrinos est aussi possible. Des neutrinos peuvent également être produit lorsque la matière noire qui est capturée par des puits gravitationnels, comme le Soleil.
1. http ://antares.in2p3.fr/ 2. http ://icecube.wisc.edu/
6.6 Techniques de détection de WIMPs
Comme ceux ci sont capables d’échapper aux objets compacts, une détection d’un excès de neutrinos dans la direction du Soleil pourrait être due à la matière noire [85]. Les meilleures limites actuelles sur la section efficace d’annihilation de matière noire proviennent de l’observa-toire IceCube et des observations du cluster de Virgo [109] montrées sur la figure 6.9.
Les photons
sont des produits particulièrement intéressants qui peuvent être issu de l’an-nihilation ou de la décroissance de matière noire, comme les neutrinos ils voyagent en lignes droites et sont pratiquement non absorbés et non déviés dans l’Univers à l’échelle Galactique. Ils pointent donc vers le lieu de leur création, et pour détecter une signature de matière noire les recherches s’orientent vers là où sa concentration est importante et où le bruit de fond as-trophysique standard est réduit. Cependant il n’est pas exclu de regarder là où le bruit de fond est élevé car la signature spectrale spécifique d’un signal de matière permet d’aider à son iden-tification, tout comme sa distribution spatiale est différente de celle des émetteurs standards. Plus de détails sur les recherches basées sur les observations en rayons gamma sont fournies dans le chapitre suivant.Chapitre 7
Signal d’annihilation de matière
noire en rayons de hautes énergies
Sommaire
7.1 Flux de photons attendu . . . 116 7.1.1 Émission principale . . . 117 7.1.2 Effet Sommerfeld . . . 119
7.1.3 Émissions secondaires de rayons . . . 119
7.2 Profils de densité de matière noire . . . 122 7.2.1 Les profils piqués . . . 122 7.2.2 Les profils avec cœur . . . 123 7.2.3 Normalisation des profils . . . 124 7.3 Les cibles astrophysiques privilégiées . . . 125 7.3.1 Le centre Galactique . . . 125 7.3.2 Les sous halos Galactiques . . . 126 7.3.3 Les galaxies naines . . . 126 7.3.4 Les amas de galaxies . . . 129 7.4 Conclusion . . . 129
7. Signal d’annihilation de matière noire en rayons de hautes énergies
L’univers étant froid et très peu dense de nos jours, la probabilité d’annihilation de paires particule/anti-particule de matière noire est extrêmement faible sauf dans certaines régions de surdensité. Un signal d’annihilation de matière noire provenant de ces régions pourrait être révélé par la détection de particules du modèle standard produites lors de telles réactions. Ce
chapitre présente la recherche de rayons provenant de l’annihilation de matière noire, qui
possède plusieurs avantages par rapport aux autres messagers :
• Les rayons se propagent en ligne droite et pointent donc directement vers la source
émettrice.
• Le signal d’annihilation est proportionnel à la densité de matière noire au carré. • Un signal d’annihilation de matière noire présente des caractéristiques spectrales
spéci-fiques qui se différencient clairement de celles du bruit de fond.
• La distribution dans l’espace du signal de matière noire est différente de celle du bruit de fond. On s’attend donc à une signature spatiale du signal correspondant au profil de densité de matière noire, contrairement au comportement du bruit de fond résiduel qui lui est isotrope.
Cependant les rayons sont aussi produits en grande quantité par des sources astrophysiques
lors de processus hadroniques et leptoniques ce qui rend l’identification d’un signal complexe et
difficile à interpréter. Actuellement aucun signal clair de rayons provenant de l’annihilation
de matière noire n’a encore été identifié.
Dans ce chapitre nous décrirons dans la section 7.1 les mécanismes d’émission principaux et
secondaires de rayons via l’annihilation de matière noire, puis introduire dans la section 7.2
les profils de densité considérés. Enfin, dans la section 7.3, nous passerons en revue les cibles privilégiées des observations en astronomie des hautes énergies.
7.1 Flux de photons attendu
La matière noire sous forme de WIMPs s’annihile en différentes particules du modèle stan-dard et produit plusieurs types de signaux :
• Un signal de « continuum » lorsque l’annihilation produit des paires de leptons chargés, de quarks ou encore des bosons de jauge qui par la suite donneront par décroissance ou
hadronisation des pions ⇡0se désintégrant à leur tour en deux rayons avec un rapport
de branchement de 99%.
• Un signal de « ligne » lorsque deux particules de matière noire s’annihilent directement
en deux (DMDM ! ) avec E =mDM.
• Un signal de « ligne » peut aussi être émis lors de l’annihilation (DMDM ! X ) avec X pouvant être le boson Z ou le boson de Higgs.
Il est crucial de bien connaitre ces mécanismes car ce sont eux qui vont permettre de calculer
le spectre des rayons dans l’état final et différencier un signal de matière noire de celui du
bruit de fond astrophysique standard. Dans cette section, nous allons décrire ces principaux mécanismes.
7.1 Flux de photons attendu