ASTROPARTICULES

Les rayons cosmiques de très haute énergie

Les rayons cosmiques font l'objet de mesures intensives depuis le milieu du xx^e siècle et l'on sait que leur spectre en énergie diminue suivant une loi de puissance décroissante pour atteindre un flux de une particule par kilomètre carré et par siècle à l'énergie de 10²⁰ électronvolts. Des détecteurs au sol de grande surface observent les cascades de particules – appelées grandes gerbes – qui se développent dans l'atmosphère. Il peut paraître paradoxal que, malgré cette longue période d'observation, les origines et la composition chimique des rayons cosmiques soient encore imparfaitement comprises. En particulier, la partie du spectre dit d'ultra-haute énergie, peuplée d'une centaine de gerbes d'énergie supérieure à 4 × 10¹⁹ électronvolts, reste une énigme. On attend dans ce domaine une chute du flux engendrée par l'opacité de l'Univers due aux collisions des rayons cosmiques sur les photons du fond cosmologique à 2,7 K. Quelques événements ont été observés au-delà de cette coupure, impliquant que leur source est assez proche afin que des collisions n'aient pu survenir pendant la propagation. Par ailleurs, l'énergie mesurée est telle que la déflexion par le champ magnétique intergalactique est suffisamment faible pour permettre de repérer la localisation de leur source. À ce jour, aucune des hypothèses avancées sur leur nature n'est cependant pleinement satisfaisante.

L'exploration de ce domaine nécessite un immense réseau de détecteurs, comme l'observatoire Pierre-Auger, implanté en Argentine, et qui collecte des données depuis 2005. Un premier instrument constitué d'une grille de 1 600 détecteurs espacés de 1,5 km les uns des autres couvre la surface d'un département français (3 000 km²). Chacun d'eux comporte une cuve de 12 mètres cubes remplie d'eau qui détecte au moyen de trois photomultiplicateurs la lumière Tcherenkov produite par les particules chargées de la gerbe cosmique (figure). Alors que les détecteurs individuels sont simples dans leur principe, l'instrument dans son ensemble fait appel à des techniques peu courantes en physique des particules, telles que l'énergie solaire pour alimenter l'électronique, et les transmissions par téléphonie afin d'éviter la présence d'une forêt de câbles sur le site. Un second instrument capable de détecter par nuit sombre la fluorescence émise dans l'atmosphère par la gerbe au moyen de 24 détecteurs dits à œil de mouche contribue à accroître l'efficacité de la détection en permettant de reconstituer la géométrie de la gerbe. On espère ainsi enregistrer entre 50 et 100 événements d'énergie supérieure à 10²⁰ électronvolts par an, ce qui devrait permettre d'en comprendre l'origine.