Les Mystérieux Rayons Cosmiques C’est en 1912 que Victor Hess (prix Nobel en 1936) prouva, en effectuant une expérience embarquée en montgolfière, que des particules provenant de l’espace « tombent » sans cesse sur la Terre. Ces particules furent rapidement appelées Rayons Cosmiques. Aujourd’hui nous savons qu’ils existent de nombreux types de rayons cosmiques. Certains, à basse énergie, sont des électrons et des neutrinos crées par les réactions nucléaires du Soleil. D’autres, qui ont plus d’énergie, sont des photons (particules élémentaires de lumière) qui proviennent de galaxies lointaines. Etudier les rayons cosmiques permet donc d’étudier l’Univers et les phénomènes qui s’y déroulent. En cherchant à atteindre des énergies de plus en plus élevées, plusieurs expériences ont révélé l’existence de rayons comiques dont l’énergie dépasse toutes les prédictions théoriques. Un tel rayonnement, dit d’Ultra Haute Energie, soulève de nombreuses questions depuis plus de 30 ans. Nous cherchons aujourd’hui à y répondre. Quelle énergie peuvent-ils atteindre? D'où viennent-ils ? ? Quel phénomène est capable de générer des particules à de telles énergies ? Il existe deux catégories de phénomènes possibles : Aujourd’hui, plusieurs expériences ont observé des rayons cosmiques d’énergie 1 milliard de fois supérieure à ce que peut atteindre un accélérateur actuel de particules. Les théories actuelles prédisent qu’une telle particule ne peut pas parcourir plus de 3 millions d’années lumière, sans perdre une fraction notable de son énergie. Nombre de rayons cosmiques en fonction de son énergie par unité de surface Les mécanismes « Bottom-up » où l’on part d’une particule peu énergétique que l’on accélère par des phénomènes astrophysiques violents (noyaux actifs de galaxie, supernovae, sursaut gamma). Zone connue 150 km/h !! 1 par siècle par km2 1020 eV Les mécanismes « Top-Down » où l’on part d’une particule « massive », pouvant provenir du Big Bang, qui se désintègre en particules élémentaires très énergétiques (mécanisme prédit par des théories de grande unification). Pourtant, à moins de cette distance, aucune source ne semble capable d’émettre un tel rayonnement. Qui sont-ils ? Des particules chargées, comme des noyaux atomiques ou des protons ? Ils seraient alors fortement dévies par les champs électromagnétiques lors de leur voyage jusqu’à la Terre. Leur direction d’arrivée sur Terre pourrait donc ne pas correspondre à leur direction de provenance. Photon Des particules non chargées, comme des photons ou des neutrinos ? Leurs trajectoires seraient alors rectilignes jusqu’à nous. Rayon Cosmique d'ultra haute énergie Des particules encore non observées à ce jour, mais dont l’existence est prédîtes par certaines théories : particules métastables, défauts topologiques, cordes cosmiques… qui donneraient naissance à des particules élémentaires d’ultra haute énergie. ? Formation des gerbes atmosphériques Lorsqu’un rayon cosmique d’ultra haute énergie pénètre dans l’atmosphère terrestre, il interagit violement avec les molécules présentes. De cette « collision » va naître de nombreuses autres particules (pions, muons, électrons, photons…) d’énergie moindre qui vont, à leur tour, interagir avec l’atmosphère. Et ainsi de suite, tant que les particules secondaires ont suffisamment d’énergie. Une véritable cascade de particules se forme alors jusqu’au sol. Plus l’énergie du rayon cosmique initial sera grande, plus il y aura de particules de créées et plus la gerbe de particules sera grande. z 1ère interaction n 2n± Comment les observer ?   e e e e Il est possible d’observer directement les rayons cosmiques, par satellite ou ballon atmosphérique, ou d’étudier les particules de la gerbe qu’ils vont générer dans l’atmosphère. A basse énergie, le flux des rayons cosmiques étant important, on étudie directement le rayon primaire.  e Cascades de particules… Désintégration ± Hadrons    e   Sol e A ultra haute énergie, il nous parvient environ 1 particule par siècle par Km2. Il faut donc une très grande surface pour en voir. On préfère donc rester sur Terre et étudier les gerbes créées. Au niveau du sol : environ 600 milliards de photons, 60 milliards d’électrons et 600 millions de muons Détecteur de surface Détecteur de fluorescence Gerbe Detecteur U.V. Lorsqu’une particule chargée traverse de la matière à une vitesse proche de celle de la lumière, elle émet des photons dans la direction où elle va. On utilise cette effet, appelé effet Čerenkov, pour observer les particules chargées des gerbes, lorsqu’elles atteignent le sol. Lors des cascades de particules, les molécules de di-azote de l’air sont excitées. Le surplus d’énergie, quelles ont reçut, est alors re-émit sous forme de lumière ultra violette dans toutes les directions. A l’aide d’un miroir, on envoie cette lumière sur une camera CCD sensible aux UV. On observe comme cela le développement, dit « longitudinal », de la gerbe dans l’atmosphère. Le détecteur est constitué d’eau entourée d’une paroi en plastique réfléchissante (dans l’UV) et de photomultiplicateurs qui captent la lumière créée par les particules chargées qui traversent l’eau. Plus l’énergie du rayon cosmique sera grande, plus il y aura de particules dans la gerbe, plus il y aura de molécules de di-azote excitées et donc plus on recevra de lumière sur la camera. Cette technique d’observation nécessite le noir absolu et un ciel dégagé. On réalise donc ce type de mesure les nuits de nouvelle lune, loin des villes et le plus souvent dans les pays où il fait beau. On choisit le plus souvent les déserts qui répondent à tous les critères demandés. Afin d’étudier les grandes gerbes atmosphériques, on place au sol plusieurs de ces cuves suivant un réseau qui peut couvrir plusieurs centaines de Km2. Plus l’énergie du rayon cosmique sera grande, plus la gerbe créée sera grande, et plus il y aura de détecteurs traversés par des particules. L'expérience Pierre Auger L’observatoire Pierre Auger est une expérience internationale réunissant plus de 250 physiciens, ingénieurs, informaticiens et techniciens provenant de 18 pays, qui vise à détecter les rayons cosmiques d’énergie ultime. Pour la première fois les deux techniques d’observation sont utilisées simultanément : Un réseau de 1600 détecteurs au sol repartis sur une surface de 3000 km2 (surface d’un département). Ces détecteurs sont autonomes (panneaux solaires, batteries) et communiquent par ondes radios. 4 détecteurs de fluorescence placés sur des collines, autour du réseau. Aujourd’hui l’observatoire est en cours de fabrication dans la Pampas en Argentine. Ce lieu a été choisi car il offrait l’espace pour le réseau et le beau temps nécessaire à la détection de la fluorescence. Doctoriales 2004 Gilles MAURIN PCC/APC, Paris.