Quelque part au-dessus de nos têtes, chaque seconde, un proton accéléré à une énergie des millions de fois supérieure à celle du Grand collisionneur de hadrons percute l'atmosphère. Il frappe une molécule d'air, et une cascade naît – une large pluie atmosphérique de milliers de particules. Les physiciens capturent ces pluies avec des détecteurs au sol, mais jusqu'à présent, ils ne pouvaient pas dire avec précision ce qui se passait au tout premier instant, au point du premier impact.
Tout cela parce que la suite du développement de la pluie ressemble à une avalanche de neige : quelles que soient les premières flocons, un flux identique dévale la pente. Ici aussi – après la première collision, la cascade de particules se développe selon des lois presque universelles, et les détails de l'interaction initiale s'estompent.
Mais les auteurs de ce nouveau travail ont trouvé deux nombres qui, ensemble, préservent la mémoire du premier impact. Le premier est la profondeur à laquelle la pluie atteint sa taille maximale. Le second est le nombre de muons, ces lourds cousins de l'électron, qui parviennent jusqu'au sol. Il s'avère que si l'on observe comment ces deux grandeurs fluctuent d'une pluie à l'autre, leurs fluctuations conjointes révèlent l'empreinte de la manière dont le proton primaire a partagé son énergie entre les particules secondaires. C'est comme si, par la forme de l'avalanche, on pouvait reconstituer de quelle pierre exactement elle s'est détachée.
La nouvelle méthode ne nécessite pas de connaître tous les détails des interactions nucléaires complexes. Elle repose sur le fait que la seconde partie de la pluie est presque universelle, et que toute l'incertitude est concentrée dans le premier impact. Les auteurs ont montré que les erreurs dues à cette simplification sont plus petites que l'écart entre les modèles actuels, et comparables à la précision des expériences existantes. Ainsi, en mesurant ces deux grandeurs ensemble, on peut tester directement le comportement des particules à des énergies inaccessibles sur Terre.
Ainsi, les physiciens disposent désormais d'un nouvel outil – un billard cosmique où, par la dispersion des boules, on peut juger du premier coup de queue. Et plus nous capturons de pluies, plus nous saurons précisément de quoi sont faites les particules les plus rapides de l'Univers.
Un seul proton d'ultra-haute énergie transporte autant d'énergie qu'une balle de tennis bien servie, mais concentrée dans un objet de la taille d'un noyau atomique.
Dans le roman de Greg Egan « L'Échelle de Schild », des physiciens utilisent des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie pour tester des théories au-delà du modèle standard – la nouvelle méthode ouvre justement la voie à de tels tests.