Le scénario mono-élément pour les rayons cosmiques d'ultra haute énergie de plus en plus intenable

Publié par Redbran le 28/10/2020 à 13:00
Source: CNRS IN2P3

© Observatoire Pierre Auger
Une nouvelle analyse s'appuyant sur 215 000 événements collectés à l'observatoire Pierre Auger fournit un nouvel éclairage sur l'origine et la nature des rayons cosmiques d'ultra haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Plutôt qu'un scénario mono-élément, elle laisse envisager la présence de multiples noyaux des plus légers aux plus lourds. Explications avec Piera Ghia et Olivier Deligny, d'IJCLab, coautrice et coauteur de l'étude publiée dans Physical Review Letters1.

Une crédence propagée depuis environ 50 ans serait-elle en train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de plusieurs voitures (pour transporter des personnes) et/ou de plusieurs wagons (pour transporter des marchandises), et peut...) de vaciller ? L'observatoire Pierre Auger (Pierre Victor Auger (14 mai 1899 - 25 décembre 1993) était un physicien français né à Paris, fils du professeur de chimie Victor Auger et beau-frère de Francis Perrin. Il a travaillé en physique atomique, physique nucléaire et...), en accumulant la plus grande collection jamais effectuée de rayons cosmiques d'ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique...) haute énergie, pousse (Pousse est le nom donné à une course automobile illégale à la Réunion.) en effet les physiciens à revoir leur copie. En cause, la structure fine du spectre en énergie du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.). Ce spectre montre que les rayons cosmiques sont de plus en plus rares à mesure que l'on monte en énergie. Vers 10¹⁸ eV l'observatoire en a déjà vu des centaines de milliers, alors qu'il n'en a repéré qu'une quinzaine au-delà de 10²⁰ eV. Il montre surtout, à mesure qu'on le regarde en détail, des petites inflexions à trois endroits de la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des courbes.). Pas seulement vers 5 10¹⁸ et 5 10¹⁹ eV, inflexions déjà connues, mais aussi, pour la première fois, vers 1,3 10¹⁹ eV. Autant d'irrégularités qu'il faut expliquer en les raccrochant à des phénomènes astrophysiques ou cosmologiques. Et c'est là que les choses se compliquent pour le scénario admis jusqu'à présent.

Ce scénario fait intervenir des sources universelles réparties uniformément dans l'espace et accélérant des éléments produits en quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la...) importante aux tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) premiers instants de l'histoire de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Les éléments mis en oeuvre sont alors principalement des protons accélérés à des énergies plus ou moins grandes. Ce qui a fait tout le charme (Les charmes constituent un genre d'arbres et d'arbustes de la famille des Bétulacées (sous-famille des Coryloïdées) des régions tempérées de l'hémisphère nord, d'Asie...) de cette explication c'est qu'elle explique très bien deux des inflexions du spectre en énergie. Elles seraient causées par une perte d'énergie des protons forcés de se frayer un passage parmi les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit...) du fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est le nom donné au rayonnement électromagnétique issu de l'époque dense et chaude qu'a connue l'Univers par le passé, le Big...) qui baignent l'univers. Seulement la dernière inflexion repérée, celle à 1,3 10¹⁹ eV, n'entre pas du tout dans ce cadre et pousse les théoriciens à réviser les modèles depuis sa découverte dans les relevés de l'observatoire.

Des éléments plus lourds de l'hélium jusqu'au fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau...)

Mais ce n'est pas tout. D'autres argument sapent un peu plus les bases du scénario mono-élément. "Nos résultats sur l'analyse de la composition en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à...) sont en forte tension (La tension est une force d'extension.) avec l'idée d'une composition exclusive de protons autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) et au-delà de l'énergie dite de la "cheville", vers 5 10¹⁸ eV". D'autres éléments plus lourds, de l'hélium jusqu'au fer, semblent bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances, connue pour exprimer la puissance du son. Grandeur sans...) et bien composer les rayons cosmiques, explique Piera Ghia, directrice de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) à l'IJCLab d'Orsay.

Les simulations semblent aussi plaider en ce sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine....). "Nos résultats sont plus en accord avec un scénario où plusieurs composantes nucléaires contribuent à l'intensité totale et dans lequel les noyaux sont accélérés jusqu'à des énergies maximales en proportion de leurs charges électriques par les champs électromagnétiques imprégnant les environnements des sources", constate Olivier Deligny, directeur de recherche également à l'IJClab d'Orsay.


Densité d'énergie dans les rayons cosmiques au-dessus de 2,5 1018 eV. Une nouvelle caractéristique a été identifiée dans le spectre entre la cheville (≈ 5 10¹⁸ eV), où le spectre s'aplatit, et l'endroit où il se raidit fortement, au-delà de ≈4 10¹⁹ eV. Les estimations des flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est...) de différents noyaux déduites du modèle discuté dans le texte sont indiquées par les lignes colorées: protons (rouge), hélium (blanc), groupe CNO (vert), Silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) (bleu) et Fer (cyan). Crédit: APS/Alan Stonebraker; adapted from A. Aab et al. (Pierre Auger Collaboration), Phys. Rev. Lett. 125, 121106 (2020)

Concrètement, comme cela peut s'observer sur le spectre qui figure la présence de différents éléments lourds (figure 1), une première anomalie s'expliquerait par la combinaison (Une combinaison peut être :) de l'énergie maximale d'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique,...) des noyaux les plus lourds aux sources et de leur photodésintégration aux environs de 5 10¹⁹ eV ("Toe" dans la Figure 1) lors de leurs collisions avec les photons des fonds présents dans l'espace extragalactique (effet GZK). Une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde...), à ≈1,3 10¹⁹ eV ("new feature" dans la Figure 1), refléterait quant à elle l'entrelacement (L'entrelacement (en l'anglais Interlaced), ou balayage entrelacé, est une technique destinée à réduire l'impression de scintillement sur un écran à faible fréquence de balayage (50–60 Hz).) entre les flux d'hélium et du groupe carbone-azote-oxygène injectés aux sources avec leurs énergies maximales distinctes, puis façonnés par la photodésintégration lors de la propagation. En revanche, pour comprendre le spectre en-deçà de l'énergie de la cheville ainsi que les données de composition en masse, une composante supplémentaire est nécessaire dont l'origine reste à découvrir.

Compatible avec les scénarios astrophysiques

Les scientifiques ont par ailleurs évalué la compatibilité de leur scénario avec les données astrophysiques. Et celui-ci tient la route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.). D'après leurs données, au-delà de 5 10¹⁸ eV, le contenu énergétique des rayons cosmiques dans chaque Mpc(3) cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables...) serait de ≈5,6 10⁵³ erg, correspondant, pour fixer les idées, à l'équivalent d'environ un quart de masse solaire (En astrophysique, la masse solaire est l'unité de masse conventionnellement utilisée pour les étoiles ou les autres objets massifs. Elle est égale à la masse de notre Soleil. Son symbole et sa valeur...). Pour fournir ce contenu énergétique, la densité de luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) que des sources émettant en continu doivent injecter dans l'espace extragalactique est alors contrainte à ≈6 10⁴⁴ erg/Mpc³/an. Une valeur tout à fait compatible avec des scénarios astrophysiques dans lesquels des objets comme des noyaux actifs de galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres...) ou des galaxies à flambée d'étoiles sont à l'origine des rayons cosmiques.

L'étau (Un étau est un dispositif mécanique qui permet la « mise en position » et le « maintien en position » (serrage) d'une pièce.) se resserre donc sur le scénario mono-élément, et la collaboration Pierre Auger ne compte pas en rester là. Avec son programme Auger-Prime d'amélioration de l'observatoire, actuellement en déploiement, il sera bientôt possible de distinguer entre la composante électromagnétique et muonique des gerbes atmosphériques. Une amélioration qui va faire gagner les mesures en sensibilité et permettre de collecter plus d'informations sur la composition en masse des rayons cosmiques aux énergies les plus élevées. Une donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) cruciale pour trancher entre les différents scénarios.

Un observatoire de 3000 km² pour faire la chasse aux rayons cosmiques les plus énergétiques

Les propriétés des rayons cosmiques sont induites en étudiant les gerbes atmosphériques, cascades d'électrons, de photons et de muons, créées par les impacts des particules cosmiques dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air...) à haute altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la répartition...). À 10¹⁹ eV, où le flux est d'environ une particule par kilomètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même mesure. Un carré est à la fois un rectangle...) et par an, un seul rayon cosmique (Le rayonnement cosmique désigne de manière générale le flux de particules de haute énergie (c'est-à-dire relativistes) présent dans tout l'Univers. Il s'agit pour sa partie chargée...) génère ≈10¹⁰ particules s'étalant sur environ 25 km² au niveau du sol. À l'observatoire Pierre Auger, de telles gerbes sont détectées à l'aide d'un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) de 1600 détecteurs à effet Cherenkov dont le cycle de service est quasi-permanent, déployés sur une grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un...) triangulaire de 1500 m de pas, couvrant ainsi 3000 km². Les directions d'arrivée sont mesurées avec une précision de ≈1°. Le réseau est surplombé par quatre stations surélevées, chacune constituée de matrices de plusieurs centaines de capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille…. On...) photosensibles qui, grâce à un jeu de miroirs de télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un...), surveillent chacun une petite portion du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.). Ces capteurs détectent la fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière...) provoquée par la désexcitation des molécules d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant majoritaire de l'atmosphère...) à la suite de leur excitation par les nombreux électrons d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est...) créés lors du passage de la cascade dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :). Cette désexcitation donne lieu à un rayonnement ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle...) très faible (équivalent à l'énergie émise par une lampe de quelques dizaines de watts), mais que l'on arrive à déceler jusqu'à 30 ou 40 kilomètres de distance pendant des nuits sans lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne séparant la Terre de la Lune...). Ces télescopes permettent une estimation calorimétrique de l'énergie des gerbes. Un des détecteurs Cherenkov ainsi qu'une des stations de fluorescence sont montrés sur l'image ci-dessous.


L'un des détecteurs d'eau-Cherenkov au premier plan, et l'une des stations de fluorescence à environ 1500 m sur la colline en arrière-plan. Une antenne au niveau du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour...) Cherenkov est utilisée pour envoyer les données à une autre antenne disposée sur le mât (Le mât est un espar vertical (mis à part le beaupré) servant à soutenir les voiles sur un bateau à voiles. De manière générale, c'est un pylône vertical.) de la station de fluorescence. Les signaux sont ensuite envoyés à la salle de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de l'Observatoire, à 10 km. Crédit: Observatoire Pierre Auger

En utilisant le sous-ensemble (En mathématiques, un ensemble A est un sous-ensemble ou une partie d’un ensemble B, ou encore B est sur-ensemble de A, si tout élément du sous-ensemble A est aussi élément du sur-ensemble...) d'événements détectés simultanément avec les détecteurs de fluorescence et le réseau de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...), il est dès lors loisible de propager la mesure calorimétrique de l'énergie à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) des événements collectés au travers du calibrage de la "taille" des gerbes au sol, seule quantité pouvant être déterminée de manière précise par le réseau de surface. Ainsi l'estimateur de l'énergie des gerbes est-il déterminé indépendamment des hypothèses sur la masse primaire ou des modèles des processus hadroniques qui gouvernent les premiers étages des cascades opérant à des énergies bien supérieures à celles atteintes au LHC dans le centre de masse. La résolution obtenue sur l'énergie est de ≈20% à 10¹⁸ eV et de ≈7% à 10¹⁹ eV.

A propos de la collaboration Pierre AUGER:

La collaboration Pierre Auger regroupe plus de 400 chercheurs et chercheuses de 97 instituts dans 17 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²),...): Allemagne, Argentine, Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de l'Océanie. En plus de l’île-continent du même nom, le...), Belgique, Brésil, Colombie, Espagne, Etats-Unis, France, Italie, Mexique, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Roumanie, Slovénie.

Douze chercheurs et chercheuses IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de recherche est comme son nom l'indique la physique...) sont impliqués (dont 8 permanents), faisant partie des laboratoires, IJCLab, LPNHE et LPSC. Corinne Bérat (LPSC) est responsable IN2P3 du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) en France.

En savoir plus

Sur le site du LPSC: Nouvelle particularité mise en évidence par la collaboration Pierre Auger dans le spectre des rayons cosmiques d'ultra haute énergie

Viewpoint sur le site de Physics: The Anatomy of Ultrahigh-Energy Cosmic Rays

Sur le site de IN2P3: dossier publié en 2019 à l'occasion de 20 ans de l'observatoire Pierre Auger

Notes:
1 - A. Aab et al, Physical Review Letters 125 (2020) 121106; Physical Review D 102 (2020) 062005

Contacts:
- Corinne Bérat - berat at lpsc.in2p3.fr
- Berrie Giebels - DAS Astroparticules et cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) - berrie.giebels at in2p3.fr
- Emmanuel Jullien - Responsable de la cellule communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles technologies...), ainsi que...) de l'IN2P3 - communication at in2p3.fr
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