Des rayons cosmiques très énergétiques ! … trop énergétiques ?

Alors que vous lisez ces lignes, la Terre est bombardée. Oh rassurez-vous, il ne s’agit pas de l’attaque d’une civilisation extra-terrestre, mais du fait qu’en permanence notre planète est touchée par une grande quantité de rayons cosmiques en provenance de l’espace.

Les plus puissants de ces rayons sont un mystère pour les physiciens, car on ne sait pas véritablement d’où ils viennent. Certains sont même si énergétiques qu’en théorie, ils ne devraient même pas exister ! Et pourtant, on les observe…du moins on le pense.

Mais qu’est-ce qu’un rayon cosmique ?

Contrairement à ce que laisse penser leur nom, les rayons cosmiques ne sont pas des rayons électromagnétiques, comme les rayons X ou les rayons lumineux. Il s’agit de simples particules, le plus souvent des protons, mais qui possèdent une vitesse énorme, très proche de celle de la lumière.

Ces protons ultra-rapides nous arrivent de divers endroits de l’espace : certains sont émis par le Soleil, tandis que d’autres semblent provenir de galaxies lointaines, très lointaines…

Quand un rayon cosmique atteint notre planète, il réagit fortement avec les molécules qui composent l’atmosphère. Cette violente réaction donne naissance à une grande quantité de particules, formant une gerbe qu’on appelle une douche de particules, et ce sont ces particules que l’on peut détecter au niveau du sol. C’est ce qui est symbolisé sur l’image ci-contre (source). Donc sur Terre, on n’observe jamais le rayon cosmique lui-même, mais si on s’éloignait de l’atmosphère terrestre, on pourrait les détecter directement, et même les voir à l’oeil nu !

En effet lors de la mission Appolo 11, Buzz Aldrin a rapporté qu’il voyait de petit flashs lumineux dans ses yeux, à un rythme d’environ un par minute : probablement le résultat de l’interaction entre un rayon cosmique et la rétine de son oeil. C’est un phénomène maintenant connu des astronautes.

Détecter les rayons cosmiques sur Terre

Puisque les rayons cosmiques n’atteignent jamais directement la surface de la Terre, pour les repérer il faut détecter la douche de particules qui est émise quand ils pénètrent dans l’atmosphère. Une des méthodes consiste à détecter les muons, des particules analogues aux électrons, et qui sont produites en grand nombre dans ces douches de particules.

Par exemple l’expérience AGASA montée au Japon est composé de 111 détecteurs de 2.2 m2 chacuns (dans des cabanes comme celle ci-contre), et répartis tous les kilomètres dans un rectangle de 14km x 8km. Si un rayon cosmique frappe l’atmosphère dans cette région du monde, la douche de muons arrose l’ensemble des détecteurs et on peut ainsi repérer et localiser le rayon cosmique.

En étudiant la quantité de muons présents dans la douche, on peut estimer l’énergie du rayon cosmique initial : plus il y a de muons détectés, plus ce dernier était énergétique. Les chercheurs ont ainsi pu mesurer que les rayons les plus faibles sont assez fréquents, il nous en arrive environ 1 par seconde et par mètre carré, mais que plus les rayons sont énergétiques, plus ils sont rares.

Un rayon cosmique typique possède une énergie de 0.00000000001 Joules. Pas grand chose donc. D’ailleurs pour faciliter les choses, les physiciens des particules utilisent fréquemment une autre unité que le Joule, c’est l’électron-volt (ou eV). En théorie, un électron-volt c’est l’énergie acquise par un électron quand on le soumet à une différence de potentiel de 1 volt. Ce qu’il faut retenir en pratique, c’est que

1 électron-volt = \(1,6 . 10^{-19}\) Joule

Avec cette unité plus pratique, les rayons cosmiques les plus communs ont une énergie d’environ 1 milliards d’électrons-volts, ce qu’on note plutôt 1 GeV, pour giga-électron-volt. A titre de comparaison, l’énergie des protons accélérés dans le grand collisionneur LHC du CERN est environ 1000 à 10000 fois plus importante : quelques TeV (téra-électrons-volts).

Oh My God !

En mesurant systématiquement l’énergie des rayons cosmiques arrivant sur les détecteurs, on a pu constater que la plupart ont une énergie de quelques GeV, mais aussi que certains ont une énergie 10 fois, 100 fois, 1000 fois…jusqu’à 1 milliard de fois supérieure à cette valeur ! Évidemment ces rayons extrêmes sont rares, très rares : on en détecte quelques uns par an tout au plus.

Ainsi le 15 octobre 1991, un rayon d’une énergie jamais atteinte est venu frapper un détecteur de l’expérience Fly’s eye, située dans l’Utah aux Etats-Unis. L’énergie mesurée de ce rayon était de 320 milliards de GeV ! Une énergie tellement extrême que les chercheurs l’ont baptisé le rayon « Oh My God » !

Pour comprendre la quantité d’énergie qui était contenue dans cet unique rayon cosmique, il est utile de retourner à l’unité habituelle, le Joule. Une énergie de 320 milliards de GeV correspond à environ 50 Joules, l’énergie cinétique d’une balle de tennis servie à 160 km/h ! Et tout ça dans un minuscule et unique proton ! Au delà du caractère extrême du phénomène, ce qui a rendu les physiciens perplexes, c’est qu’un rayon cosmique si énergétique, ça ne devrait pas exister ! Voyons pourquoi.

La limite GZK

Dans les années 60, des physiciens russes et américains ont calculé qu’il existait une limite sur l’énergie des rayons cosmiques qui atteignent la Terre. Cette limite porte leur initiales : la limite GZK (pour Greisen-Zatsepin-Kuzmin), et vaut environ 60 milliards de GeV. L’origine physique de cette limite est la suivante : vous savez peut être que notre univers est baigné par une faible radiation, le rayonnement fossile, une sorte d’écho du big-bang. Nos physiciens ont calculé que tant qu’un proton possède une énergie inférieure à la limite GZK, les protons peuvent tranquillement voyager dans l’espace sans être perturbés par le rayonnement fossile.

Mais s’ils dépassent la limite, alors une réaction avec le rayonnement fossile devient possible. Pour les curieux, la réaction est la suivante

(p est le proton du rayon cosmique, gamma est le photon du rayonnement fossile, et pi_zéro désigne une particule appelée pion)

En pratique, cela signifie que dès qu’un proton dépasse la limite GZK, il est freiné par le rayonnement fossile. Conclusion : des rayons cosmiques d’énergie supérieure à 60 milliards de GeV, ça ne doit pas exister ! Et pourtant la particule Oh My God était 5 fois plus énergétique que la limite GZK !

L’expérience AGASA

Entre 1990 et 1997, l’objectif principal de l’expérience AGASA a justement été de compter les rayons cosmiques possédant une énergie extrême. Ils en ont évidemment détecté plein en-deça de 60 milliards de GeV, mais en 7 ans d’observation, il ont quand même détecté 8 rayons cosmiques possédant une énergie supérieure à la limite GZK !

Comme le montre le graphique ci-contre, d’après l’expérience AGASA, la limite GZK est violée.

Cette courbe représente les évènements détectés dans chaque gamme d’énergie, et en bleu ce qu’on attendrait du fait de la limite GZK. Manifestement les points rouges contredisent cette limite !

(PS pour les spécialistes : cette courbe représente le flux énergétique J(E), multiplié par E^3, pour plus de lisibilité)

Cette observation a été source d’une grande excitation dans la communauté scientifique : si la limite est violée, c’est peut être le signe de phénomènes physiques inconnus ! En effet de même que les rayons X permettent de voir la structure atomique de la matière, peut être les rayons cosmiques les plus énergétiques se comportent-ils de manière inattendue car ils sont sensibles à la structure quantique de l’espace-temps ?

Petite anecdote perso : au début des années 2000 je faisais justement ma thèse en physique théorique, dans le domaine de la gravité quantique, qui cherche à unifier la relativité générale et la mécanique quantique et à expliquer la structure quantique de l’espace-temps. Et nous étions tous très excités par cette violation de la limite GZK, car cela voulait dire que pour la première fois, il existait une observation expérimentale qui pouvait dépendre de la structure de l’espace-temps à l’échelle quantique.

Ainsi tout un tas de gens ont produit des théories dans lesquelles une structure quantique de l’espace-temps provoquait de petits changements à la théorie de la relativité, et expliquait pourquoi la limite GZK n’était pas là. Une expérience semble violer la théorie d’Einstein, et tout le monde essaye de trouver une théorie alternative…ça ne vous rappelle rien ?

Malheureusement pour les théoriciens enthousiastes, il semble que l’affaire ait touché à sa fin en 2010 (ça a pris plus de temps que les neutrinos supraluminiques), quand une expérience appelée HiRes Fly’s Eye, encore plus précise qu’AGASA, a publié ses conclusions. D’après eux, la limite GZK existe bel et bien. Fin de l’histoire ? Peut être, jusqu’à ce qu’une nouvelle particule encore plus énergétique vienne taper dans nos détecteurs !

Pour aller plus loin…

Une petite remarque concernant la comparaison entre l’énergie des rayons cosmiques incidents et l’énergie des particules accélérées au CERN : on entend souvent que les rayons cosmiques sont bien plus énergétiques que les particules du CERN. Au LHC les protons accélérés ont au maximum une énergie de 7 TeV, et nous avons vu que des tas de rayons cosmiques peuvent dépasser cette valeur. Et pourtant il y a une entourloupe.

Au LHC ce sont deux particules accélérées en sens inverse l’une de l’autre, et qui viennent se percuter : l’énergie totale de collision dans le référentiel du labo est donc de 2 fois 7 TeV soit 14 TeV. Dans le cas du rayon cosmique, c’est un seul proton qui vient taper par exemple un proton de l’atmosphère, qu’on peut considérer au repos dans le référentiel du laboratoire. Donc si on calcule l’énergie effective de la collision dans le référentiel du laboratoire, d’après la relativité restreinte celle-ci est donnée par la moyenne géométrique du double de l’énergie de la particule incidente et de l’énergie de masse de la particule percutée

\(E_0 = \sqrt{2 mc^2 E}\)

Si on prend un rayon cosmique incident de 10^19 eV (un vrai balèze, donc) et un proton percuté au repos de 10^9 eV d’énergie de masse, ça fait une énergie de collision dans le référentiel du labo de 140 TeV, seulement 10 fois l’énergie de collision du CERN ! Cela relativise un peu l’argument (auquel je croyais moi-même en écrivant cet autre billet) disant que le LHC produit des collisions qui sont faibles par rapport à ce qu’on a dans la nature avec les rayons cosmiques.