Caught by its own light: Wimpzillas, the LHAASO knee and the diffuse $\gamma$-ray sky

Haut au-dessus de la Terre, le ciel est constamment bombardé de particules invisibles voyageant à une vitesse proche de celle de la lumière. Ce sont les rayons cosmiques, principalement des protons et des noyaux atomiques, qui proviennent d'événements violents dans notre galaxie, tels que l'explosion d'étoiles. Pendant des décennies, les scientifiques ont cartographié leurs énergies, cherchant des motifs qui révèlent leur origine et leur mode d'accélération. Récemment, un observatoire massif en Chine appelé LHAASO a fourni la carte la plus détaillée à ce jour de ces particules à des énergies extrêmement élevées, révélant un étrange « genou » dans les données où le nombre de particules chute soudainement. Cette caractéristique a suscité un débat intense : s'agit-il du signe d'un nouveau type d'accélérateur cosmique, ou pourrait-il s'agir de l'écho ténu d'une particule lourde et mystérieuse qui existerait depuis la naissance de l'univers ?

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de tester une idée exotique spécifique : que ce genou dans le spectre des rayons cosmiques soit causé par la désintégration de « wimpzillas ». Il s'agit de particules hypothétiques de matière noire supermassives, bien plus lourdes que n'importe quelle particule connue, qui auraient pu être créées lors du Big Bang. Si une telle particule existe et se désintègre lentement aujourd'hui, elle se briserait en une gerbe de particules plus petites, incluant des protons et des photons (lumière). Les chercheurs ont utilisé les données précises de LHAASO pour voir si les protons arrivant sur Terre pouvaient être expliqués par cette désintégration. Ils ont découvert que les calculs fonctionnaient parfaitement pour les protons. Une particule de matière noire d'une masse de 50 millions de milliards d'électron-volts, se désintégrant dans le halo de notre galaxie, pourrait reproduire la forme exacte du spectre des protons, y compris le durcissement aux basses énergies et la chute brutale au niveau du genou. En fait, la masse de cette particule était la seule variable nécessaire pour que la théorie s'ajuste si bien aux données.

Cependant, l'histoire prend un tournant radical lorsque les chercheurs examinent l'autre face de la même pièce. Lorsqu'une particule lourde se désintègre, elle ne produit pas seulement des protons ; elle produit des photons selon un ratio fixe et prévisible. En raison de la physique de la fragmentation de ces particules, la désintégration devrait produire environ trois fois plus d'énergie sous forme de lumière que sous forme de protons. L'équipe a calculé exactement quelle quantité de lumière gamma devrait inonder le ciel si l'explication par les protons était vraie. Ils ont ensuite comparé cette prédiction au ciel de rayons gamma réellement mesuré par LHASO. Le résultat fut un rejet définitif de l'idée. La lumière prédite par la désintégration de la matière noire était bien trop brillante, dépassant le fond de rayons gamma observé d'un facteur dix à cent, selon la manière dont le fond est calculé.

La conclusion est claire : bien que le modèle de la désintégration de la matière noire s'ajuste magnifiquement aux données des protons, il est invalidé par les données de la lumière. L'univers ne contient tout simplement pas assez de rayons gamma pour soutenir l'existence de ces particules en désintégration aux niveaux requis pour expliquer les protons. Les chercheurs soulignent qu'il ne s'agit pas d'un échec du modèle à correspondre à un ensemble de chiffres, mais d'une contradiction fondamentale entre deux types différents de lumière et de matière provenant de la même source. Les protons et les photons sont liés par les lois de la physique ; on ne peut pas avoir les protons sans les photons. Puisque les photons ne sont pas présents dans les quantités prédites, les protons ne peuvent pas provenir de cette source non plus.

Cette étude souligne la puissance de l'observation de l'univers à travers de multiples canaux. Une théorie qui semble parfaite lors de l'examen d'un type de particule peut s'effondrer instantanément lorsque la lumière correspondante est vérifiée. L'observatoire LHAASO a fourni une mesure précise du spectre des protons, confirmant une structure complexe que les modèles astrophysiques peinent à expliquer sans ajustement fin. Pourtant, ces mêmes données, lorsqu'elles sont combinées aux limites des rayons gamma, ferment la porte à l'idée que la désintégration de la matière noire supermassive soit la cause du phénomène. Le « genou » dans le spectre des rayons cosmiques demeure un mystère, pointant probablement vers des processus astrophysiques complexes au sein de notre galaxie plutôt que vers une nouvelle forme de physique de la matière noire. La recherche continue, mais ce chemin particulier a été bloqué par la lumière même que la théorie promettait de produire.