Les particules à haute énergie posent des énigmes

Jour après jour, des particules venues de l’espace pleuvent sur notre terre. Elles proviennent avant tout de notre système solaire, mais même les plus petites particules provenant de galaxies étrangères touchent rarement notre planète. Dans la revue spécialisée « Science », des chercheurs racontent comment ils ont découvert une particule particulièrement énergétique et mystérieuse.

Les particules à haute énergie provenant de l’espace sont de minuscules particules à partir desquelles les atomes sont constitués. Ceux-ci incluent des protons ou des noyaux atomiques provenant de l’extérieur de notre galaxie. Les chercheurs supposent qu’ils proviennent des phénomènes les plus énergétiques de l’univers, comme les sursauts gamma ou les jets relativistes provenant de trous noirs. Lorsqu’une particule à haute énergie pénètre dans l’atmosphère terrestre depuis l’espace, elle entre en collision avec les molécules de l’air. Il en résulte ce qu’on appelle une douche d’air : un phénomène semblable à une avalanche dans lequel d’autres particules sont créées, qui interagissent ensuite avec les molécules d’air suivantes et produisent à nouveau d’autres particules. Grâce à ces particules, les chercheurs peuvent tirer des conclusions sur la particule originale qui a déclenché la douche aérienne.

Un immense réseau de détecteurs mesure les particules rares

Mais quelle que soit la fréquence à laquelle les particules frappent la Terre, les particules à très haute énergie sont rares. Les chercheurs estiment que chaque kilomètre carré de la Terre est frappé par moins d’une particule avec plus de 100 exaélectrons volts par siècle, soit plus d’un million de fois plus d’énergie que celle des protons produits dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN. Si vous souhaitez mesurer de telles particules, vous avez besoin d’un grand détecteur.

C’est pourquoi l’équipe de Toshihiro Fujii de l’Université métropolitaine d’Osaka a utilisé l’expérience Telescope Array dans l’Utah pour rechercher des particules à haute énergie. Il se compose de trois télescopes et de plus de 500 détecteurs répartis sur 762 kilomètres carrés. Cela fait à peu près la taille de la ville de Hambourg. Et les chercheurs ont eu de la chance : la particule qu’ils ont découverte avait une énergie de 244 exaélectrons volts.

Les caractéristiques et l’origine restent mystérieuses

Mais lorsque Fujii et son équipe ont voulu examiner de plus près les propriétés de la particule, ils ont rencontré plusieurs problèmes : premièrement, ils ne pouvaient pas déterminer exactement de quel type de particule il s’agissait. Parce que le clair de lune semblait trop brillant pour utiliser les télescopes nécessaires. Ils ont seulement pu conclure qu’il s’agissait d’un proton ou d’un noyau atomique plus lourd : des muons ont été créés dans cette gerbe d’air. Les muons sont des particules élémentaires comme les électrons et sont généralement un sous-produit lorsque des protons ou d’autres noyaux atomiques entrent en collision avec des molécules dans l’atmosphère terrestre.

D’un autre côté, l’origine de la particule pose également un mystère : il n’y a que très peu de galaxies dans la direction d’où elle est venue. Selon Fujii et son équipe, il se pourrait que cette particule ait été déviée plus fortement par le champ magnétique de la Voie lactée que ne le prédisent les modèles théoriques – ou que l’origine de la particule soit un objet astronomique jusqu’alors inconnu. Dans tous les cas, ils souhaitent poursuivre leurs recherches sur les particules de haute énergie avec le Telescope Array Experiment afin de clarifier l’origine de cette particule de haute énergie et, si nécessaire, améliorer les modèles sous-jacents pour l’avenir.