Les rayons cosmiques comme thermomètre et boussole magnétique express
Chaque seconde, des particules invisibles venues de l'espace — les rayons cosmiques — percutent l'atmosphère terrestre. En entrant en collision avec les molécules d'air, elles génèrent des cascades de particules secondaires, parmi lesquelles les muons sont particulièrement nombreux. Le muon est un cousin lourd de l'électron, qui ne vit que quelques microsecondes mais réussit à atteindre le sol. À l'observatoire GRAPES-3, dans le sud de l'Inde, se dresse un télescope géant de 560 mètres carrés qui compte ces muons 24 heures sur 24. En une journée, cela représente environ quatre milliards de particules — une statistique si précise que les variations horaires du flux sont visibles au niveau des centièmes de pour cent.
Il s'avère que les muons sont d'excellents thermomètres. Lorsque les couches supérieures de l'atmosphère (au-dessus de 20 kilomètres) se réchauffent, l'air se dilate et les muons doivent traverser une plus grande quantité de matière. Une partie d'entre eux se désintègre en chemin, et le flux au sol diminue. À l'inverse, une stratosphère froide se contracte, et davantage de muons parviennent jusqu'à nous. Sur 22 ans d'observations — de 2001 à 2022 — les scientifiques ont comparé le flux de muons avec les données de température de la base météorologique MERRA-2. Il en ressort qu'un réchauffement d'un degré de la haute atmosphère réduit le flux de muons de 0,22 pour cent.
Le deuxième facteur est le champ magnétique interplanétaire, généré par le vent solaire. Les satellites ACE et WIND, stationnés au point de Lagrange L1 entre la Terre et le Soleil, mesurent ce champ en continu. Il s'avère qu'une augmentation du champ d'un nanotesla (environ cent mille fois plus faible qu'un aimant de réfrigérateur) réduit le flux de muons de 0,57 pour cent. C'est comme si un immense bouclier invisible apparaissait et disparaissait devant la Terre, modifiant la quantité de particules qui nous parviennent.
L'utilité pratique est évidente : au lieu de satellites coûteux pour surveiller la stratosphère et la météo spatiale, on peut utiliser des télescopes à muons au sol. Ils fonctionnent en continu, ne craignent pas les nuages et fournissent des données toutes les quelques minutes. Ainsi, la physique des particules se transforme en service météo — mais une météo à 30 kilomètres d'altitude et à des millions de kilomètres de la Terre.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2602.11847
We study the influence of variations in the upper atmospheric temperature and interplanetary magnetic field on the cosmic ray induced atmospheric muon flux measured by the GRAPES-3 experiment over 22 years (2001--2022) of data; spanning three solar cycles: the declining phase of Solar Cycle 23, the full Cycle 24, and the rising and maximum phases of Cycle 25. Located in Ooty- India, the GRAPES-3 large area (560\,$$m^2$$) muon telescope detects $$\sim$$4 billion muons daily above 1\,GeV, with an angular resolution of $$\sim$$4$$^\circ$$, enabling a statistical precision $$<$$0.01\% on the hourly muon rate. After accounting for the effect of atmospheric pressure variations, we compare this data with the upper atmospheric temperature inferred from NASA's MERRA-2 dataset as well as magnetic field data from the ACE and WIND spacecraft at Lagrange point L1. A simultaneous iterative fitting method employing Fast Fourier Transforms and a narrow band-pass filter reveals the temperature and magnetic field coefficients to be $$\alpha_T=-\,0.2241\,\pm\,0.04\, (stat.)\,\pm\,0.0220\, (syst.)\,\%\,K^{-1}$$ and $$\gamma_{M}=-\,0.574\,\pm\,0.027\, (stat.)\,\pm\,0.011\, (syst.)\,\%\,\text{nT}^{-1}$$, respectively, for an assumed hadronic attenuation length $$\lambda$$=120 g cm$$^{-2}$$, underscoring the potential of the GRAPES-3 muon telescope to serve as a real time monitor of the upper atmospheric temperature or interplanetary magnetic field.
Les muons naissent à environ 15 kilomètres d'altitude, mais grâce à la dilatation relativiste du temps, ils parviennent à atteindre la surface, alors que sans cet effet, ils se désintégreraient déjà après 600 mètres.