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Les rayons cosmiques changent de composition à mi-chemin ✎express
Original: "Cosmic ray mass composition measurement in the energy range from $$10^{16.5}$$ eV to $$10^{18.5}$$ eV observed with the TALE hybrid detector"
Le détecteur TALE a capté des particules venues de l'espace pendant cinq ans et a remarqué que vers l'énergie de $$10^{17}$$ eV, leur composition change brusquement.
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Les rayons cosmiques ne sont pas de la lumière, mais des particules chargées qui bombardent la Terre de toutes parts. La plupart sont des protons (noyaux d'hydrogène), mais on trouve aussi des noyaux plus lourds : hélium, azote, fer. Quand une telle particule percute l'atmosphère, elle génère une véritable pluie de particules secondaires, et la forme de cette pluie permet de savoir ce qui est arrivé.
Le détecteur TALE, dans l'Utah, aux États-Unis, a collecté des données sur ces pluies pendant cinq ans. Il est composé de télescopes à fluorescence, qui voient la faible lueur de l'air, et de détecteurs à scintillation au sol, qui capturent les particules au sol. Ensemble, ils permettent de déterminer avec précision la profondeur à laquelle la pluie atteint son maximum — et celle-ci est directement liée à la masse de la particule primaire.
Plus le noyau est lourd, plus il dissipe rapidement son énergie dans l'atmosphère, et la pluie est « courte » — son maximum est plus proche des couches supérieures. Un proton léger pénètre plus profondément, et la pluie s'étire.
Le résultat principal : le graphique de la profondeur moyenne du maximum en fonction de l'énergie présente un coude vers $10^{17}$ eV. En dessous de cette énergie, la composition des rayons cosmiques devient de plus en plus lourde — la proportion de fer et de noyaux similaires augmente, tandis que celle des protons diminue. Au-dessus, au contraire, les protons recommencent à dominer.
Ce comportement ressemble à un changement de « fournisseur ». À l'intérieur de notre Galaxie, les particules sont accélérées principalement dans les restes de supernovae, et les noyaux lourds y prédominent. En revanche, au-delà de la Galaxie, dans les noyaux actifs de galaxies lointaines ou d'autres accélérateurs puissants, davantage de protons sont produits. Le coude tombe justement sur ce qu'on appelle le « deuxième genou » — l'énergie où l'influence des sources galactiques s'arrête et où commence celle des sources extragalactiques.
Ce travail ne se contente pas d'affiner le tableau, il fournit une estimation quantitative : la proportion de protons après le coude augmente avec l'énergie, tandis que celle du fer diminue. C'est un argument fort en faveur du fait qu'au-dessus de $10^{17}$ eV, nous voyons principalement des particules provenant de l'extérieur de la Voie lactée.
Un rayon cosmique d'énergie $10^{18}$ eV transporte autant d'énergie qu'une balle de tennis bien servie, mais toute cette énergie est concentrée dans une seule particule subatomique.