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Cette brisure dénommée "cou-de-pied" ou "instep" suggère que la fréquence des rayons cosmiques diminue fortement au-delà de 10 exaélectronvolts (EeV). En outre, la collaboration observe que les inflexions du spectre se retrouvent à l'identique dans toutes les directions, ce qui impliquerait qu'ils soient émis par les mêmes sources extragalactiques partout dans l'Univers.
Vue d'artiste d'une pluie de particules engendrée par des rayons cosmiques, au-dessus de la plaine argentine où son installés les capteurs de l'Observatoire Pierre-Auger.
A. CHANTELAUZE, S. STAFFI, L. BRET
Cela fait plus de 20 ans que la collaboration Auger, à laquelle participent plusieurs groupes de CNRS Nucléaire & Particules, mène l'enquête sur les rayons cosmiques, ces particules venues de l'espace qui bombardent en permanence notre atmosphère. Plus de 20 ans que le réseau de détecteurs Tcherenkov étendu sur 3000 km2 capte les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (UHECR), dans le but de comprendre un jour d'où viennent ces messagers cosmiques et quels béhémoths célestes nous les envoient.
L'étude publiée le 9 décembre dans la revue Physical Review Letters par la collaboration, sans encore lever le mystère sur la source des UHECR, constitue une étape importante vers la compréhension de ce phénomène en caractérisant plus précisément leur fréquence et leur distribution.
Les UHECR sont constitués de particules de matière, tels que des protons ou des noyaux atomiques accélérés à des énergies à faire saliver le LHC du CERN. Leur course folle à travers le cosmos se termine lorsqu'ils produisent une gerbe de particules au contact de l'atmosphère terrestre.
Quand une de ces gerbes se déploie dans le ciel nocturne des Andes argentines, une portion de ces particules, des muons, des électrons et des photons, va être captée par les centaines de cuves de détection et les quatre télescopes Tcherenkov de la collaboration Auger. De l'analyse de ces gerbes, les physiciens et physiciennes vont remonter à des informations cruciales, telles que l'énergie et la direction des UHECR. Le résultat publié dans Physical Review Letters se base sur une compilation de 20 ans de ces données patiemment collectées par la collaboration.
Il confirme l'existence d'un phénomène baptisé "l'instep" ou "coup de pied" en français dans le spectre des UHECR, c'est-à-dire la courbe qui décrit la fréquence des événements en fonction de leur énergie. De précédentes études avaient déjà laissé entrevoir l'existence de cette brisure située entre deux brisures connues de longue date - la cheville (ankle) et l'orteil (toe) - son existence dans le spectre des UHECR ne fait désormais plus de doute. Ce "cou-de-pied" reflète une diminution marquée de la fréquence des UHECR au-delà de 10 exaélectronvolts, énergie au niveau de laquelle la majorité du flux de rayons cosmiques serait constituée de noyaux plus lourds que l'hydrogène.
Mais la nouvelle analyse du collectif Auger ne se contente pas de confirmer l'existence de cette structure. Jusque-là, seules les particules arrivant avec un angle zénithal inférieur à 60° étaient considérées, car la reconstruction du signal devient plus complexe lorsque l'arrivée est rasante, en raison des effets du champ magnétique terrestre, qui modifie la trajectoire des particules chargées. Cette fois, grâce à l'élaboration de calques permettant de reconstruire les événements en tenant compte de l'influence du champ magnétique, l'équipe a étendu son étude jusqu'à 80°, permettant de couvrir environ 75 % de l'ensemble du ciel. Cette augmentation massive de la zone observée offre un panorama beaucoup plus complet et statistiquement robuste.
Or, le résultat est clair: l'instep découvert par la collaboration apparaît partout, quelle que soit la région du ciel observée. Ce caractère uniforme suggère fortement que cette structure ne provient pas d'une source isolée ou d'un phénomène local, mais plutôt d'un ensemble de nombreux accélérateurs cosmiques extragalactiques, fonctionnant selon des processus physiques similaires. Autrement dit, les particules les plus énergétiques qui atteignent notre atmosphère semblent être produites dans divers objets situés bien au-delà de la Voie lactée, probablement dans des environnements astrophysiques extrêmes.
L'homogénéité identifiée par Auger représente une nouvelle contrainte précieuse pour les modèles théoriques qui cherchent à expliquer comment ces particules peuvent être accélérées à de telles énergies. Des efforts théoriques qui pourront bientôt bénéficier du flot de données d'un observatoire aux performances améliorées par AugerPrime, qui sera exploitable très prochainement.