{"id":2800,"date":"2012-03-12T00:01:46","date_gmt":"2012-03-11T23:01:46","guid":{"rendered":"http:\/\/sciencetonnante.wordpress.com\/?p=2800"},"modified":"2012-03-12T00:01:46","modified_gmt":"2012-03-11T23:01:46","slug":"des-rayons-cosmiques-tres-energetiques-trop-energetiques","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/2012\/03\/12\/des-rayons-cosmiques-tres-energetiques-trop-energetiques\/","title":{"rendered":"Des rayons cosmiques tr\u00e8s \u00e9nerg\u00e9tiques ! … trop \u00e9nerg\u00e9tiques ?"},"content":{"rendered":"

\"\"<\/a>Alors que vous lisez ces lignes, la Terre est bombard\u00e9e. Oh rassurez-vous, il ne s’agit pas de l’attaque d’une civilisation extra-terrestre, mais du fait qu’en permanence notre plan\u00e8te est touch\u00e9e par une grande quantit\u00e9 de rayons cosmiques en provenance de l’espace.<\/p>\n

Les plus puissants de ces rayons sont un myst\u00e8re pour les physiciens, car on ne sait pas v\u00e9ritablement d’o\u00f9 ils viennent. Certains sont m\u00eame si \u00e9nerg\u00e9tiques qu’en th\u00e9orie, ils ne devraient m\u00eame pas exister\u00a0! Et pourtant, on les observe…du moins on le pense. <\/p>\n

Mais qu’est-ce qu’un rayon cosmique ?<\/h3>\n

Contrairement \u00e0 ce que laisse penser leur nom, les rayons cosmiques ne sont pas des rayons \u00e9lectromagn\u00e9tiques<\/strong>, comme les rayons X ou les rayons lumineux. Il s’agit de simples particules, le plus souvent des protons, mais qui poss\u00e8dent une vitesse \u00e9norme, tr\u00e8s proche de celle de la lumi\u00e8re.<\/p>\n

\"\"<\/a>Ces protons ultra-rapides nous arrivent de divers endroits de l’espace\u00a0: certains sont \u00e9mis par le Soleil, tandis que d’autres semblent provenir de galaxies lointaines, tr\u00e8s lointaines…<\/p>\n

Quand un rayon cosmique atteint notre plan\u00e8te, il r\u00e9agit fortement avec les mol\u00e9cules qui composent l’atmosph\u00e8re. Cette violente r\u00e9action donne naissance \u00e0 une grande quantit\u00e9 de particules, formant une gerbe qu’on appelle une douche de particules<\/strong>, et ce sont ces particules que l’on peut d\u00e9tecter au niveau du sol. C’est ce qui est symbolis\u00e9 sur l’image ci-contre (source<\/a>). Donc sur Terre, on n’observe jamais le rayon cosmique lui-m\u00eame, mais si on s’\u00e9loignait de l’atmosph\u00e8re terrestre, on pourrait les d\u00e9tecter directement, et m\u00eame les voir \u00e0 l’oeil nu !<\/p>\n

En effet lors de la mission Appolo 11, Buzz Aldrin a rapport\u00e9 qu’il voyait de petit flashs lumineux dans ses yeux<\/strong>, \u00e0 un rythme d’environ un par minute : probablement le r\u00e9sultat de l’interaction entre un rayon cosmique et la r\u00e9tine de son oeil. C’est un ph\u00e9nom\u00e8ne maintenant connu des astronautes.<\/p>\n

<\/h3>\n

D\u00e9tecter les rayons cosmiques sur Terre<\/h3>\n

Puisque les rayons cosmiques n’atteignent jamais directement la surface de la Terre, pour les rep\u00e9rer il faut d\u00e9tecter la douche de particules qui est \u00e9mise quand ils p\u00e9n\u00e8trent dans l’atmosph\u00e8re. Une des m\u00e9thodes consiste \u00e0 d\u00e9tecter les muons<\/strong>, des particules analogues aux \u00e9lectrons, et qui sont produites en grand nombre dans ces douches de particules.<\/p>\n

\"\"<\/a>Par exemple l’exp\u00e9rience AGASA mont\u00e9e au Japon est compos\u00e9 de 111 d\u00e9tecteurs de 2.2 m2 chacuns (dans des cabanes comme celle ci-contre), et r\u00e9partis tous les kilom\u00e8tres dans un rectangle de 14km x 8km. Si un rayon cosmique frappe l’atmosph\u00e8re dans cette r\u00e9gion du monde, la douche de muons arrose l’ensemble des d\u00e9tecteurs et on peut ainsi rep\u00e9rer et localiser le rayon cosmique<\/strong>.<\/p>\n

En \u00e9tudiant la quantit\u00e9 de muons pr\u00e9sents dans la douche, on peut estimer l’\u00e9nergie du rayon cosmique initial :<\/strong> plus il y a de muons d\u00e9tect\u00e9s, plus ce dernier \u00e9tait \u00e9nerg\u00e9tique. Les chercheurs ont ainsi pu mesurer que les rayons les plus faibles sont assez fr\u00e9quents, il nous en arrive environ 1 par seconde et par m\u00e8tre carr\u00e9, mais que plus les rayons sont \u00e9nerg\u00e9tiques, plus ils sont rares.<\/p>\n

Un rayon cosmique typique poss\u00e8de une \u00e9nergie de 0.00000000001 Joules. Pas grand chose donc. D’ailleurs pour faciliter les choses, les physiciens des particules utilisent fr\u00e9quemment une autre unit\u00e9 que le Joule, c’est l’\u00e9lectron-volt<\/strong> (ou eV). En th\u00e9orie, un \u00e9lectron-volt c’est l’\u00e9nergie acquise par un \u00e9lectron quand on le soumet \u00e0 une diff\u00e9rence de potentiel de 1 volt. Ce qu’il faut retenir en pratique, c’est que<\/p>\n

1 \u00e9lectron-volt = \\(1,6 . 10^{-19}\\) Joule<\/p>\n

Avec cette unit\u00e9 plus pratique, les rayons cosmiques les plus communs ont une \u00e9nergie d’environ 1 milliards d’\u00e9lectrons-volts<\/strong>, ce qu’on note plut\u00f4t 1 GeV, pour giga-\u00e9lectron-volt. A titre de comparaison, l’\u00e9nergie des protons acc\u00e9l\u00e9r\u00e9s dans le grand collisionneur LHC du CERN est environ 1000 \u00e0 10000 fois plus importante\u00a0: quelques TeV (t\u00e9ra-\u00e9lectrons-volts).<\/p>\n

Oh My God !<\/h3>\n

En mesurant syst\u00e9matiquement l’\u00e9nergie des rayons cosmiques arrivant sur les d\u00e9tecteurs, on a pu constater que la plupart ont une \u00e9nergie de quelques GeV, mais aussi que certains ont une \u00e9nergie 10 fois, 100 fois, 1000 fois…jusqu’\u00e0 1 milliard de fois sup\u00e9rieure \u00e0 cette valeur ! \u00c9videmment ces rayons extr\u00eames sont rares, tr\u00e8s rares : on en d\u00e9tecte quelques uns par an tout au plus.<\/strong><\/p>\n

Ainsi le 15 octobre 1991, un rayon d’une \u00e9nergie jamais atteinte est venu frapper un d\u00e9tecteur de l’exp\u00e9rience Fly’s eye, situ\u00e9e dans l’Utah aux Etats-Unis. L’\u00e9nergie mesur\u00e9e de ce rayon \u00e9tait de 320 milliards de GeV ! Une \u00e9nergie tellement extr\u00eame que les chercheurs l’ont baptis\u00e9 le rayon \u00ab\u00a0Oh My God\u00a0\u00bb\u00a0!<\/strong><\/p>\n

Pour comprendre la quantit\u00e9 d’\u00e9nergie qui \u00e9tait contenue dans cet unique rayon cosmique, il est utile de retourner \u00e0 l’unit\u00e9 habituelle, le Joule. Une \u00e9nergie de 320 milliards de GeV correspond \u00e0 environ 50 Joules, l’\u00e9nergie cin\u00e9tique d’une balle de tennis servie \u00e0 160 km\/h !<\/strong> Et tout \u00e7a dans un minuscule et unique proton ! Au del\u00e0 du caract\u00e8re extr\u00eame du ph\u00e9nom\u00e8ne, ce qui a rendu les physiciens perplexes, c’est qu’un rayon cosmique si \u00e9nerg\u00e9tique, \u00e7a ne devrait pas exister\u00a0! Voyons pourquoi.<\/p>\n

La limite GZK<\/h3>\n

Dans les ann\u00e9es 60, des physiciens russes et am\u00e9ricains ont calcul\u00e9 qu’il existait une limite sur l’\u00e9nergie des rayons cosmiques qui atteignent la Terre. Cette limite porte leur initiales\u00a0: la limite GZK<\/strong> (pour Greisen-Zatsepin-Kuzmin<\/em>), et vaut environ 60 milliards de GeV<\/strong>. L’origine physique de cette limite est la suivante\u00a0: vous savez peut \u00eatre que notre univers est baign\u00e9 par une faible radiation, le rayonnement fossile, une sorte d’\u00e9cho du big-bang. Nos physiciens ont calcul\u00e9 que tant qu’un proton poss\u00e8de une \u00e9nergie inf\u00e9rieure \u00e0 la limite GZK, les protons peuvent tranquillement voyager dans l’espace sans \u00eatre perturb\u00e9s par le rayonnement fossile.<\/p>\n

Mais s’ils d\u00e9passent la limite, alors une r\u00e9action avec le rayonnement fossile devient possible. Pour les curieux, la r\u00e9action est la suivante <\/em>\"\"<\/a><\/p>\n

(p est le proton du rayon cosmique, gamma est le photon du rayonnement fossile, et pi_z\u00e9ro d\u00e9signe une particule appel\u00e9e pion)<\/em><\/p>\n

En pratique, cela signifie que d\u00e8s qu’un proton d\u00e9passe la limite GZK, il est frein\u00e9 par le rayonnement fossile<\/strong>. Conclusion\u00a0: des rayons cosmiques d’\u00e9nergie sup\u00e9rieure \u00e0 60 milliards de GeV, \u00e7a ne doit pas exister\u00a0! Et pourtant la particule Oh My God \u00e9tait 5 fois plus \u00e9nerg\u00e9tique que la limite GZK !<\/p>\n

\"\"<\/a>L’exp\u00e9rience AGASA<\/h3>\n

Entre 1990 et 1997, l’objectif principal de l’exp\u00e9rience AGASA a justement \u00e9t\u00e9 de compter les rayons cosmiques poss\u00e9dant une \u00e9nergie extr\u00eame. Ils en ont \u00e9videmment d\u00e9tect\u00e9 plein en-de\u00e7a de 60 milliards de GeV, mais en <\/strong>7 ans d’observation, il ont quand m\u00eame d\u00e9tect\u00e9 8 rayons cosmiques poss\u00e9dant une \u00e9nergie sup\u00e9rieure \u00e0 la limite GZK<\/strong> !<\/p>\n

Comme le montre le graphique ci-contre, d’apr\u00e8s l’exp\u00e9rience AGASA, la limite GZK est viol\u00e9e.<\/p>\n

Cette courbe repr\u00e9sente les \u00e9v\u00e8nements d\u00e9tect\u00e9s dans chaque gamme d’\u00e9nergie, et en bleu ce qu’on attendrait du fait de la limite GZK. Manifestement les points rouges contredisent cette limite !<\/p>\n

(PS pour les sp\u00e9cialistes : cette courbe repr\u00e9sente le flux \u00e9nerg\u00e9tique J(E), multipli\u00e9 par E^3, pour plus de lisibilit\u00e9)<\/em><\/p>\n

Cette observation a \u00e9t\u00e9 source d’une grande excitation dans la communaut\u00e9 scientifique\u00a0:<\/strong> si la limite est viol\u00e9e, c’est peut \u00eatre le signe de ph\u00e9nom\u00e8nes physiques inconnus ! En effet de m\u00eame que les rayons X permettent de voir la structure atomique de la mati\u00e8re, peut \u00eatre les rayons cosmiques les plus \u00e9nerg\u00e9tiques se comportent-ils de mani\u00e8re inattendue car ils sont sensibles \u00e0 la structure quantique de l’espace-temps<\/strong> ?<\/p>\n

Petite anecdote perso : au d\u00e9but des ann\u00e9es 2000 je faisais justement ma th\u00e8se en physique th\u00e9orique, dans le domaine de la gravit\u00e9 quantique<\/strong>, qui cherche \u00e0 unifier la relativit\u00e9 g\u00e9n\u00e9rale et la m\u00e9canique quantique et \u00e0 expliquer la structure quantique de l’espace-temps. Et nous \u00e9tions tous tr\u00e8s excit\u00e9s par cette violation de la limite GZK, car cela voulait dire que pour la premi\u00e8re fois, il existait une observation exp\u00e9rimentale qui pouvait d\u00e9pendre de la structure de l’espace-temps \u00e0 l’\u00e9chelle quantique.<\/p>\n

Ainsi tout un tas de gens ont produit des th\u00e9ories dans lesquelles une structure quantique de l’espace-temps provoquait de petits changements \u00e0 la th\u00e9orie de la relativit\u00e9, et expliquait pourquoi la limite GZK n’\u00e9tait pas l\u00e0. Une exp\u00e9rience semble violer la th\u00e9orie d’Einstein, et tout le monde essaye de trouver une th\u00e9orie alternative…\u00e7a ne vous rappelle rien ?<\/strong><\/p>\n

Malheureusement pour les th\u00e9oriciens enthousiastes, il semble que l’affaire ait touch\u00e9 \u00e0 sa fin en 2010 (\u00e7a a pris plus de temps que les neutrinos supraluminiques), quand une exp\u00e9rience appel\u00e9e HiRes Fly’s Eye<\/em>, encore plus pr\u00e9cise qu’AGASA, a publi\u00e9 ses conclusions. D’apr\u00e8s eux, la limite GZK existe bel et bien. Fin de l’histoire ? Peut \u00eatre, jusqu’\u00e0 ce qu’une nouvelle particule encore plus \u00e9nerg\u00e9tique vienne taper dans nos d\u00e9tecteurs !<\/p>\n

Pour aller plus loin…<\/em><\/h3>\n

Une petite remarque concernant la comparaison entre l’\u00e9nergie des rayons cosmiques incidents et l’\u00e9nergie des particules acc\u00e9l\u00e9r\u00e9es au CERN : on entend souvent que les rayons cosmiques sont bien plus \u00e9nerg\u00e9tiques que les particules du CERN. Au LHC les protons acc\u00e9l\u00e9r\u00e9s ont au maximum une \u00e9nergie de 7 TeV, et nous avons vu que des tas de rayons cosmiques peuvent d\u00e9passer cette valeur. Et pourtant il y a une entourloupe. <\/em><\/p>\n

Au LHC ce sont deux particules acc\u00e9l\u00e9r\u00e9es en sens inverse l’une de l’autre, et qui viennent se percuter : l’\u00e9nergie totale de collision dans le r\u00e9f\u00e9rentiel 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’atmosph\u00e8re, qu’on peut consid\u00e9rer au repos dans le r\u00e9f\u00e9rentiel du laboratoire. Donc si on calcule l’\u00e9nergie effective de la collision dans le r\u00e9f\u00e9rentiel du laboratoire, d’apr\u00e8s la relativit\u00e9 restreinte celle-ci est donn\u00e9e par la moyenne g\u00e9om\u00e9trique du double de l’\u00e9nergie de la particule incidente et de l’\u00e9nergie de masse de la particule percut\u00e9e<\/em><\/p>\n

\\(E_0 = \\sqrt{2 mc^2 E}\\)<\/em><\/p>\n

Si on prend un rayon cosmique incident de 10^19 eV (un vrai bal\u00e8ze, donc) et un proton percut\u00e9 au repos de 10^9 eV d’\u00e9nergie de masse, \u00e7a fait une \u00e9nergie de collision dans le r\u00e9f\u00e9rentiel du labo de 140 TeV, seulement 10 fois l’\u00e9nergie de collision du CERN ! Cela relativise un peu l’argument (auquel je croyais moi-m\u00eame en \u00e9crivant cet autre billet<\/a>) disant que le LHC produit des collisions qui sont faibles par rapport \u00e0 ce qu’on a dans la nature avec les rayons cosmiques. <\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Alors que vous lisez ces lignes, la Terre est bombard\u00e9e. Oh rassurez-vous, il ne s’agit pas de l’attaque d’une civilisation extra-terrestre, mais du fait qu’en permanence notre plan\u00e8te est touch\u00e9e par une grande quantit\u00e9 de rayons cosmiques en provenance de l’espace. Les plus puissants de ces rayons sont un myst\u00e8re pour les physiciens, car on<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"jetpack_post_was_ever_published":false,"_jetpack_newsletter_access":"","_jetpack_dont_email_post_to_subs":false,"_jetpack_newsletter_tier_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paywalled_content":false,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[6],"tags":[46,61],"class_list":{"0":"post-2800","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","6":"category-physique","7":"tag-cosmologie","8":"tag-physique-des-particules"},"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"post_mailing_queue_ids":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2800","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=2800"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2800\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=2800"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=2800"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=2800"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}