Pluies cosmiques : comment les protons dessinent le portrait de l'atmosphère express
Les rayons cosmiques sont des particules qui nous parviennent des confins de l'espace. Lorsqu'une telle particule percute l'atmosphère, elle engendre toute une pluie de nouvelles particules — comme une boule de billard qui brise le triangle et fait partir les boules dans toutes les directions. Pour prédire à quoi ressemblera une telle pluie, il faut savoir comment la particule primaire interagit avec les noyaux des atomes de l'air. L'air étant principalement composé d'azote et d'oxygène, les scientifiques ont décidé de mesurer les collisions de protons avec des noyaux d'oxygène.
Au Grand collisionneur de hadrons du CERN, un faisceau de protons a été accéléré puis dirigé vers une cible d'oxygène. L'énergie de collision était énorme — 9,62 téraélectronvolts dans le système du centre de masse, soit des milliers de fois l'énergie libérée lors de la fission d'un seul noyau d'uranium. Le détecteur ATLAS a enregistré 246 millions d'événements dans lesquels au moins une particule chargée a été produite avec une impulsion transverse supérieure à 500 mégaélectronvolts et un angle d'émission dans la limite de 2,5 unités de pseudorapidité. C'est comme si vous jetiez une pierre dans un étang 246 millions de fois et que vous mesuriez à chaque fois les éclaboussures.
Les résultats aideront les astrophysiciens à calculer plus précisément les pluies cosmiques. C'est important pour les observatoires qui détectent les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie, comme l'observatoire Pierre Auger en Argentine. Mieux nous connaissons l'interaction des particules avec l'air, plus nous pouvons reconstituer précisément leur énergie et leur direction. Et cela, à son tour, nous rapproche de la résolution de l'énigme de l'origine des particules les plus énergétiques de l'Univers.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2604.05512
This Letter presents a measurement of prompt charged-particle production in proton-oxygen interactions at $$\sqrt{s_\text{NN}}=9.62$$ TeV center-of-mass energy with the ATLAS detector, corresponding to 634 $$\mu$$b$$^{-1}$$ of integrated luminosity. A total of 246 million selected events have at least one track with transverse momentum $$p_\text{T}> 500$$ MeV and pseudorapidity $$|\eta|<2.5$$. The measured fiducial proton-oxygen cross section is $$\sigma_\text{fid.}^{p\text{O}}=396 \pm 6~(\text{exp.}) \pm 9~(\text{lumi.})~\text{mb}$$ and the extrapolated inelastic proton-air cross section is $$\sigma^{p+\text{air}}_\text{inel.} = 406 \pm 6~(\text{exp.}) \pm 9~(\text{lumi.}) \pm 28~(\text{th.})~\text{mb}$$. Measurements of charged-particle multiplicity, $$p_\text{T}$$, and $$\eta$$ distributions are an order-of-magnitude more precise than differences between hadronic-interaction models. These results enable improved modeling of cosmic-ray air showers, which is important for astroparticle physics.
Une seule collision entre un proton et un noyau d'oxygène peut produire des centaines de nouvelles particules — comme un feu d'artifice entier jaillissant d'une seule étincelle.