IN2P3 (CNRS), Université Grenoble Alpes

Les rayons cosmiques aux énergies extrêmes

Généralités

Spectre complet des Rayons Cosmiques

Spectre des rayons cosmiques

 

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.  

Les rayons cosmiques d'ultra haute énergie (RCUHE) permettent aux physiciens d'explorer le monde subatomique dans un domaine d'énergie bien au-delà des possibilités des accélérateurs, et ouvrent de nouvelles fenêtres d'observation pour l'astronomie. Notre groupe a fait de la physique des RCUHE son thème de recherche depuis 2001, et a rejoint en 2006 la collaboration internationale Pierre Auger (17 pays, 70 laboratoires dont 6 français).

L'Observatoire Pierre Auger étudie les RCUHE, en utilisant conjointement deux techniques de détection des gerbes atmosphériques générées par les interactions des particules cosmiques primaires avec l'atmosphère. Situé dans la pampa argentine, il est constitué d'un réseau de 1660 détecteurs Cherenkov répartis sur 3000 km2 (échantillonnage des particules de la gerbe) et de 24 télescopes de fluorescence (développement longitudinal de la gerbe) : c'est le plus grand détecteur de rayons cosmiques en fonctionnement. Entré en opération en 2004, son déploiement s'est achevé en 2008. Il a ensuite été complété pour étendre le domaine de détection à plus basse énergie.

L’analyse des événements détectés a apporté les premières réponses aux énigmes posées par l’observation des RCUHE.

  • Leur spectre en énergie est mesuré avec une précision inégalée de 1 à 100 EeV (1 EeV = 1018eV), et la forte diminution du flux au-delà de 40 EeV est confirmée de façon indiscutable ; la nature de cette atténuation reste incertaine : coupure due à l’interaction des RCUHE dans leur propagation avec les photons du fond cosmologique, ou limite en énergie intrinsèque à leurs sources ?
  • L’absence clairement établie de flux prédominants de photons et de neutrinos tels que prédits par les modèles attribuant l’origine des RCUHE à la désintégration de particules super massives, reliques du Big Bang, défavorisent ces modèles au profit des modèles d’accélération dans des sites astrophysiques.
  • La forte corrélation entre la direction d’arrivée des rayons cosmiques d’énergie supérieure à 50 EeV et la position des noyaux actifs de galaxies situés à moins de 75 Mpc, observée dans les premières données et rapportée par la collaboration en 2007, s’est considérablement amoindrie dans les données récentes. Si l’hypothèse isotrope est encore exclue à mieux que 99% de degré de confiance, la proportion d’événements en corrélation est tombée de 65% à 38%.
  • L'interprétation des mesures concernant le maximum de développement des gerbes suggère une évolution de la composition du rayonnement cosmique des noyaux légers vers des noyaux lourds, entre 40 et 50 EeV. Ce résultat semble en première approche difficile à concilier avec l'observation de corrélations angulaires.

Une meilleure compréhension des RCUHE passe par la mise en oeuvre de nouvelles observables, complémentaires de celles déjà disponibles. C’est une des motivations principale pour le développement de méthodes innovantes de détection des gerbes atmosphériques, afin de compléter les possibilités de l’Observatoire Pierre Auger.

 

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