Cosmic rays are high-energy particles, primarily protons and atomic nuclei, that originate from astrophysical sources and travel through space at relativistic speeds.Les rayons cosmiques sont des particules chargées stables, accélérées à des énergies allant de 10⁶ à 10²⁰ eV (à titre de comparaison, l’énergie des protons au Grand collisionneur de hadrons est de 7×10¹² eV). Environ 90% d’entre eux sont des protons, 9% des noyaux d’hélium (particules α) et 1% des noyaux plus lourds. En entrant en collision avec les molécules d’air, ils produisent de grandes gerbes atmosphériques — des cascades de particules secondaires comprenant des muons, des électrons et des photons gamma. Ce sont ces particules secondaires qui contribuent au fond de rayonnement naturel à la surface de la Terre.
Au début du XXe siècle, on a remarqué que les électroscopes perdaient spontanément leur charge, même dans des récipients hermétiques. En 1912, Victor Hess, lors de vols en ballon, a établi que l’ionisation augmentait avec l’altitude, ce qui a conduit à la découverte du rayonnement cosmique. Dans les années 1930, Arthur Compton a organisé un réseau de stations d’observation et a démontré, grâce à la dépendance en latitude, que le rayonnement était composé de particules chargées. Dans les années 1960, les premières sources astrophysiques ont été découvertes (par exemple, la nébuleuse du Crabe). Les observatoires modernes, comme l’observatoire Pierre Auger, recherchent les sources des particules d’énergie ultra-haute.
Le principal mécanisme d’accélération est l’accélération diffusionnelle (stochastique) sur les fronts d’ondes de choc, par exemple dans les restes de supernovae. L’enveloppe en expansion génère des inhomogénéités magnétiques sur lesquelles les particules sont réfléchies à plusieurs reprises (mécanisme de Fermi du second ordre). Ce processus produit un spectre d’énergie en loi de puissance. En se propageant dans le milieu interstellaire, les rayons cosmiques sont diffusés par les champs magnétiques, participent à des réactions nucléaires (produisant des pions → muons et neutrinos) et subissent une diffusion. Dans l’atmosphère terrestre, ils initient de grandes gerbes atmosphériques — des cascades de hadrons, de leptons et de photons, qui sont enregistrées par des détecteurs.
Les rayons cosmiques servent de source naturelle de particules pour l’étalonnage des détecteurs dans les laboratoires. Leurs muons secondaires (produits des collisions avec l’atmosphère) sont déjà utilisés pour la tomographie muonique — pour radiographier des objets massifs comme les pyramides ou les volcans, afin de voir à l’intérieur sans avoir à creuser.
En 1991, le détecteur « Œil de mouche » a enregistré une particule d’une énergie d’environ 3×10²⁰ eV, surnommée « Oh-Mon-Dieu ». Son énergie était si élevée qu’elle aurait pu propulser une balle de tennis à une vitesse d’environ 100 km/h, bien qu’elle fût entièrement concentrée dans un seul proton.
