Un proton ou un noyau atomique fonce à une vitesse prodigieuse dans l'atmosphère terrestre — et une cascade de milliards de particules naît. Cette gerbe atmosphérique étendue déferle vers la surface, tandis que des télescopes sensibles capturent sa lueur pâle. En analysant la forme de cette lueur, les physiciens déterminent à quelle profondeur la gerbe a pénétré dans l'atmosphère et de quoi elle était composée.
Mais il y a une subtilité. La théorie de la relativité érige la vitesse de la lumière dans le vide en limite absolue — rien ne peut la dépasser. Et si, à des énergies inimaginablement élevées, cette règle était légèrement violée ? Alors certains processus se dérouleraient différemment. Par exemple, la création de paires de particules — lorsque l'énergie donne naissance à un électron et à son antiparticule, le positon — deviendrait moins probable. La composante électromagnétique de la gerbe diminuerait, et elle pénétrerait plus profondément.
Les auteurs de l'étude ont pris un modèle simplifié d'une telle violation et l'ont « fait tourner » à travers une simulation de la réponse des détecteurs de l'observatoire Pierre Auger en Argentine. Ils ont comparé l'apparence des gerbes avec et sans violation, puis les ont confrontées aux données réelles. La méthode s'est révélée sensible à l'effet recherché. Les chercheurs ont obtenu une limite inférieure préliminaire pour l'énergie à laquelle la violation pourrait se manifester : plus d'un milliard de milliards de fois supérieure à l'énergie atteignable au Grand collisionneur de hadrons.
Alors, la vitesse de la lumière est-elle toujours inviolable ? Pour l'instant, oui. Mais les physiciens disposent désormais d'un outil supplémentaire pour la tester dans les conditions les plus extrêmes que la nature puisse offrir. Dans les gerbes engendrées par des particules d'énergie des millions de fois supérieure à celle de n'importe quel accélérateur terrestre.
Une gerbe atmosphérique étendue provenant d'une seule particule d'énergie ultra-élevée peut couvrir simultanément une superficie de plusieurs dizaines de kilomètres carrés — comme une petite ville.
Dans le roman « Anathem » de Neal Stephenson, la violation des lois fondamentales de la physique dans un passé lointain a conduit à une catastrophe qui a bouleversé l'organisation même de la civilisation.