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Les rayons cosmiques aux énergies extrêmes
Généralités
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Spectre des
rayons cosmiques
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Depuis les travaux pionniers de
Victor Hess en 1912,
l’étude des rayons cosmiques (RC),
c'est-à-dire la mesure de leur flux, de leur nature et de leur origine
a
considérablement progressé et leur spectre en énergie est connu
aujourd’hui
jusqu'à des énergies aussi extrêmes que
5 1019 eV. Au-delà de
cette limite, le flux de protons qui est le flux majoritaire à plus
basse
énergie devrait être coupé par l’interaction avec le fond de photons
cosmologiques (effet GZK : Greisen-Zatsepin-Guzmin)
si leur source est située à l’extérieur d’une sphère de plus de 50 Mpc, ce qui est le cas si ceux-ci sont d’origine
extragalactique. La publication par
l’expérience AGASA de l’observation d’une dizaine d’événements au delà
de 1020 eV,
donc à une énergie bien
au delà de la coupure GZK, a suscité de
vives discussions, notamment en
regard des résultats d’expériences concurrentes comme HiRes
ou Haverah Park. En effet, des analyses
récentes de
ces deux dernières expériences ont ramené des événements initialement ‘super-GZK’ en deçà de la coupure. Il en résulte
une situation
expérimentale peu claire. L’observatoire
Pierre Auger devrait permettre d’ici peu
de clarifier
cette situation et de savoir si le spectre ‘remonte’ au delà la coupure
GZK
comme le mesure AGASA.
Si les
résultats d’AGASA étaient confirmés, il est
évident
que physiciens et astrophysiciens se trouveraient alors confrontés à
une énigme
majeure : d’une part les Zevatrons
cosmiques
(étoiles à neutrons, AGN,….) modélisés par les astrophysiciens ont du
mal à
atteindre de telles énergies (processus bottom-up)
et
d’autre part, aucun de ceux-ci n’est situé de façon suffisamment proche
pour
échapper à l’atténuation GZK.
Des
solutions pourraient être trouvées
au-delà de la physique connue : désintégration de particules super
massives reliques des transitions de phase primordiales
telles que les imaginent les physiciens des
particules (1015 GeV soit 1024
eV pour les théories de grande unification), existence de dimensions
d’espace
supplémentaires, évaporation de trous noirs primordiaux, ou brisure de
l’invariance
de Lorentz,… Les rayons cosmiques permettraient d’avoir des indications
sur une
nouvelle physique à des énergies bien au delà des performances des
accélérateurs actuels, même si bien entendu le
prix à payer est une luminosité extrêmement
faible (1 particule par
km2 et par siècle !) et un calorimètre, l’atmosphère,
dont la
structure complexe et changeante, est difficile à connaître de façon
précise à
chaque instant. De plus, bien entendu, la modélisation des gerbes
atmosphériques indispensable pour caractériser la particule primaire
(énergie,
nature, ..), nécessite des
extrapolations à des énergies ou des angles souvent bien au-delà des
données
actuelles (il faut noter qu’une collision d’un proton de 1020
eV sur
un proton au repos correspond à une
énergie
centre de masse de 450 TeV). Toutefois, la difficulté de ces expériences ne doit pas faire
oublier
que ces rayons cosmiques d’ultra haute énergie constituent sans doute
notre
unique chance d’accéder à des énergies aussi extrêmes. En particulier, l’astronomie des neutrinos
d’énergie extrême pourrait constituer un des meilleurs accès vers les ‘
nouvelles physiques’.
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