En août 1912, le physicien autrichien Victor Hess a effectué un vol historique en ballon qui a ouvert une nouvelle fenêtre sur la matière dans l’univers. Alors qu’il s’élevait à 5300 mètres, il a mesuré le taux d’ionisation de l’atmosphère et a constaté qu’il était trois fois plus élevé qu’au niveau de la mer. Il en conclut que des rayonnements pénétrants pénètrent dans l’atmosphère par le haut. Il avait découvert les rayons cosmiques.
Ces particules de haute énergie qui arrivent de l’espace sont principalement (89%) des protons – des noyaux d’hydrogène, l’élément le plus léger et le plus commun de l’univers – mais elles comprennent aussi des noyaux d’hélium (10%) et des noyaux plus lourds (1%), jusqu’à l’uranium. Lorsqu’ils arrivent sur Terre, ils entrent en collision avec les noyaux des atomes de la haute atmosphère, créant d’autres particules, principalement des pions. Les pions chargés peuvent se désintégrer rapidement et émettre des particules appelées muons. Contrairement aux pions, ceux-ci n’interagissent pas fortement avec la matière et peuvent traverser l’atmosphère pour pénétrer sous terre. Le taux de muons arrivant à la surface de la Terre est tel qu’environ un par seconde traverse un volume de la taille de la tête d’une personne.
Un nouveau monde de particules
Les études des rayons cosmiques ont ouvert la porte à un monde de particules au-delà des limites de l’atome : la première particule d’antimatière, le positron (l’antiélectron) a été découverte en 1932, le muon en 1937, suivi du pion, du kaon et de plusieurs autres. Jusqu’à l’avènement des accélérateurs de particules à haute énergie au début des années 1950, ce rayonnement naturel était le seul moyen d’étudier le « zoo » croissant des particules. En effet, lorsque le CERN a été fondé en 1954, sa convention incluait les rayons cosmiques dans la liste de ses intérêts scientifiques. Mais même si les accélérateurs en sont venus à constituer le meilleur terrain de chasse pour les nouvelles particules, la physique des rayons cosmiques est encore largement étudiée.
Les énergies des rayons cosmiques primaires vont d’environ 1 GeV – l’énergie d’un accélérateur de particules relativement petit – jusqu’à 108 TeV, soit bien plus que l’énergie du faisceau du Grand collisionneur de hadrons. La vitesse à laquelle ces particules arrivent au sommet de l’atmosphère diminue avec l’augmentation de l’énergie, passant d’environ 10 000 par mètre carré par seconde à 1 GeV à moins d’un par kilomètre carré par siècle pour les particules les plus énergétiques. Les rayons cosmiques de très haute énergie génèrent d’énormes averses pouvant atteindre 10 milliards de particules secondaires ou plus, qui peuvent être captées par les détecteurs de particules lorsqu’elles sont réparties sur des zones pouvant atteindre 20 kilomètres carrés à la surface de la Terre.
Accélérateurs cosmiques
Comment les rayons cosmiques atteignent-ils des énergies aussi élevées ? Où se trouvent les accélérateurs naturels ? Les rayons cosmiques de plus faible énergie arrivent du Soleil dans un flux de particules chargées connu sous le nom de vent solaire, mais cerner l’origine des particules de plus haute énergie est rendu difficile car elles se tordent et tournent dans les champs magnétiques de l’espace interstellaire.
Des clusters sont venus en étudiant les rayons gamma de haute énergie de l’espace. Ceux-ci sont beaucoup moins nombreux que les rayons cosmiques chargés, mais étant électriquement neutres, ils ne sont pas influencés par les champs magnétiques. Ils génèrent des pluies de particules secondaires qui peuvent être détectées sur Terre et qui pointent vers le point d’origine des rayons gamma. Les sources de rayons gamma les plus énergétiques dans notre propre galaxie, la Voie lactée, comprennent les restes de supernovae, comme la célèbre nébuleuse du Crabe ; les ondes de choc de ces explosions stellaires ont longtemps été proposées comme accélérateurs naturels possibles. D’autres sources de rayons gamma de très haute énergie se trouvent dans d’autres galaxies, où des objets exotiques tels que les trous noirs supermassifs peuvent être à l’origine de l’accélération. Il existe également des preuves que les rayons cosmiques chargés de la plus haute énergie ont également des origines similaires dans d’autres galaxies.
Expériences de rayons cosmiques au CERN
Y aurait-il un lien entre les rayons cosmiques galactiques et la formation des nuages ? Une expérience menée au CERN utilise la boîte la plus propre du monde pour le découvrir.
Lire la suite de l’expérience CLOUD.
Il s’agit de l’expérience CLOUD.