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Rayons cosmiques : oui, la coupure GZK existe !

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Les chercheurs du détecteur géant de rayons cosmiques Pierre Auger, viennent de publier le bilan de trois années d'observations de rayons cosmiques à ultra-hautes énergies. Le résultat soutient avec plus de force que jamais la théorie de la coupure GZK en accord avec des observations passées de High Resolution Fly's Eye (HiRes) et d'Auger lui-même.

Un rayon cosmique à ultra-énergie pénètre dans l'atmosphère terrestre. En médaillon, un noyau actif de galaxie, une source possible. Crédit : Pierre Auger Observatory Team

Il y a environ un an, l'équipe du détecteur de rayons cosmiques HiRes, dans le désert de l'Utah, publiait sur arXiv le bilan de près de neuf années d'observations patientes des gerbes de rayons cosmiques, dont plusieurs milliers à ranger dans la catégorie des ultra-hautes énergies. Ces UHECR (Ultrahigh-energy cosmic rays) se caractérisent par des énergies supérieures à 1018 eV et sont majoritairement constitués de protons selon les interprétations les plus couramment admises.

L'article d'arXiv était une petite bombe dans lequel les chercheurs affirmaient avoir démontré pour la première fois la réalité de la coupure dans le flux des rayons cosmiques, théorisée il y a plus de 40 ans, la célèbre coupure GZK, prédisant que les particules doivent être d'autant plus rares qu'elles sont énergétiques.

Des résultats précédents de l'Observatoire Pierre Auger, en Argentine, permettaient bien de s'en douter mais ses équipes ont attendu d'avoir accumulé plus d'événements à des énergies supérieures à 1019 eV pour affirmer avoir observé eux aussi de façon convaincante la coupure GZK. Il est bien connu que plus l'on multiplie les mesures d'un phénomène plus les incertitudes sur les valeurs numériques sont faibles et plus il est possible d'être confiant dans la réalité de la détection de ce phénomène.

Avec plus de 20.000 UHECR observés entre janvier 2004 et août 2007, les membres de la collaboration Auger peuvent affirmer à leur tour qu'une coupure dans le flux des rayons cosmiques UHECR en parfait accord avec la théorie de Greisen-Zatsepin-Kuzmin est bel et bien là.

Le flux de rayons cosmiques a été relativement bien étudié à des énergies au-dessous 1018 eV. On voit ici les prédictions théoriques dite de la coupure GZK (courbe en pointillés verts) et les observations de l'expérience japonaise Agasa (points rouges avec leurs marges d'erreur). En première approximation, la courbe indiquant ce flux, appelée encore le spectre, décroît rapidement selon une loi de puissance de l’énergie E. Si N représente le flux de particules à une énergie E donnée, alors la courbe représentée sur le schéma donne dN/dE proportionnel à Eα où α, l’indice spectral, a une valeur globale d'environ 2,8. On note tout de même une structure avec deux ruptures de pente. La première, à 1015 eV, est appelée le « genou », l'indice spectral α passant d'environ 2,7 à 3,0. La deuxième est située à environ 5 x 1017 eV (avec α = 3,3) et s’appelle la « cheville ». Agasa, lui, indiquait un excès de particules à ultra haute énergie, bien visible en bas à droite au-dessus de la courbe de la coupure GZK. Crédit : HiRes collaboration

Le flux de rayons cosmiques a été relativement bien étudié à des énergies au-dessous 1018 eV. On voit ici les prédictions théoriques dite de la coupure GZK (courbe en pointillés verts) et les observations de l'expérience japonaise Agasa (points rouges avec leurs marges d'erreur). En première approximation, la courbe indiquant ce flux, appelée encore le spectre, décroît rapidement selon une loi de puissance de l’énergie E. Si N représente le flux de particules à une énergie E donnée, alors la courbe représentée sur le schéma donne dN/dE proportionnel à Eα où α, l’indice spectral, a une valeur globale d'environ 2,8. On note tout de même une structure avec deux ruptures de pente. La première, à 1015 eV, est appelée le « genou », l'indice spectral α passant d'environ 2,7 à 3,0. La deuxième est située à environ 5 x 1017 eV (avec α = 3,3) et s’appelle la « cheville ». Agasa, lui, indiquait un excès de particules à ultra haute énergie, bien visible  en bas à droite au-dessus de la courbe de la coupure GZK. Crédit : HiRes collaboration

Les observations du détecteur japonais Agasa (Akeno Giant Air Shower Array), qui indiquaient un excès de particules au-dessus de 1019 eV (voir la figure),  ne sont donc pas confirmées. Il n'est pas nécessaire d'imaginer une nouvelle physique pour expliquer un flux anormalement élevé de rayons cosmiques d'énergies supérieures à 1019 eV.

HiRes a observé la coupure GZK à 6 x 1019 eV et Auger à 4 x 1019 eV, ces deux mesures sont parfaitement compatibles avec la théorie GZK mais selon Alan Watson de l'université de Leeds, porte-parole de la collaboration Pierre Auger, il faut rester prudent. La nature pourrait nous avoir tendu un piège dans le sens où les modes de productions des UHECR pourraient bien naturellement produire une coupure dans le flux de rayons cosmiques sans que ce soit le mécanisme d'interaction avec les photons du fond diffus qui en soit responsable. Pour en être sûr, il faudra étudier d'un peu plus près le flux au-dessus de 1020 eV avec la mission Euso.

Il reste aussi des incertitudes sur la composition exacte du flux de UHECR, il pourrait y avoir des noyaux légers comme l'hélium en plus des protons, ce qui pourrait altérer certaines conclusions.

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