Les rayons cosmiques sont des particules chargées qui bombardent sans cesse la Terre depuis les profondeurs de l'espace. Lorsqu'une telle particule pénètre dans l'atmosphère, elle entre en collision avec les noyaux de l'air et engendre toute une cascade de particules secondaires : électrons, muons, photons. Cette cascade est appelée gerbe atmosphérique étendue, et elle peut s'étendre sur des kilomètres. À partir de la gerbe, les scientifiques tentent de comprendre quelle particule est arrivée et quelle énergie elle transporte, mais ce n'est pas simple : la gerbe ressemble à une trace floue, pas à une empreinte nette.
À l'observatoire LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory – Grand observatoire de haute altitude pour les gerbes atmosphériques) en Chine, on a imaginé une nouvelle méthode pour reconstituer l'énergie et la masse de la particule primaire. Au lieu de collecter toute la gerbe, ils mesurent la densité des particules à une distance fixe de l'axe de la gerbe – c'est comme si, au lieu d'examiner toute l'empreinte du pied, on regardait la netteté de l'empreinte en un point précis. Cette approche s'est révélée plus précise : l'incertitude sur l'énergie est de 5 à 15 pour cent, et pour les noyaux lourds, comme le fer, la masse peut être déterminée avec une précision supérieure à 25 pour cent. La méthode fonctionne de la même manière pour tous les types de particules et dépend très peu du modèle d'interactions utilisé par les physiciens – ce qui est souvent un casse-tête dans ce genre de mesures.
Pourquoi est-ce important ? Les rayons cosmiques d'énergie supérieure à environ 1 PeV (pétaélectronvolt – c'est mille fois plus que ce que peut produire le Grand collisionneur de hadrons) transportent des informations sur les accélérateurs les plus puissants de l'Univers : explosions de supernovae, pulsars, noyaux actifs de galaxies. Le spectre des rayons cosmiques présente une cassure – le fameux « genou » – où le nombre de particules chute brusquement. Peut-être est-ce la limite de la capacité de notre Galaxie à retenir les particules, ou la limite de leur accélération. La nouvelle méthode de LHAASO aidera à comprendre quelles particules exactement, et avec quelles énergies, parviennent jusqu'à la Terre, et donc où et comment elles sont nées.
Cette approche, c'est comme passer d'une photo floue à une image nette : moins de bruit, plus de détails. Et cela ouvre la voie à une carte plus précise des accélérateurs cosmiques.
La particule cosmique la plus énergétique jamais enregistrée avait une énergie d'environ 300 EeV – c'est comme l'impact d'une balle de tennis filant à 100 km/h, mais concentré dans un seul proton.
Dans le roman de Stanislas Lem « La Voix du Maître », les héros tentent de déchiffrer un signal venu de l'espace, mais se heurtent au fait que leurs instruments déforment les données – un problème similaire se pose aux physiciens qui reconstituent les propriétés des rayons cosmiques à partir des gerbes atmosphériques.