Record de vitesse de rupture des particules spatiales

Dans la nuit du 15 octobre 1991, une particule appelée Oh-My-God a traversé le ciel au-dessus de l'Utah .

Il s'agissait d'un rayonnement cosmique, contenant 320 exelectrons-volts (10 ¹⁸ eV) d'énergie - un million de fois plus que les particules du Grand collisionneur de hadrons ne peuvent atteindre. La particule avait une vitesse telle que, si elle faisait concurrence à la lumière, elle représenterait 1/1000 de l'épaisseur des cheveux derrière elle en un an. Il y a tellement d'énergie en lui que si vous laissiez tomber une boule de bowling sur votre doigt - seulement dans une boule de bowling il y a autant d'atomes qu'il y a d'étoiles dans le ciel. «Personne ne s'attendait à ce que beaucoup d'énergie puisse être injectée dans une seule particule», a déclaré David Kieda, astrophysicien à l'Université de l'Utah.

À huit kilomètres de l'endroit où la particule est tombée, au sommet d'une montagne déserte dans la vieille caravane, vivaient des rats et travaillaient comme chercheur. Peu avant l'événement, au coucher du soleil, Mengzhi Luo, surnommé "Stephen", a allumé les ordinateurs du détecteur Fly's Eye. Il s'agit d'un ensemble d'une douzaine de miroirs sphériques situés sur un sol nu. Chaque miroir était fixé à l'intérieur d'une «boîte de conserve» faite d'un tuyau d'égout et baissait les yeux pendant la journée afin que ses capteurs sensibles ne souffrent pas du rayonnement solaire. Avec le début de l'obscurité, par une nuit claire et sans lune, Luo tourna les canettes face au ciel.

«L'expérience était encore brute», explique Kieda, qui a travaillé avec Eye of the Fly avec Luo et d'autres scientifiques. "Mais l'essentiel est que cela a fonctionné."


Oeil de la mouche

Eye of the Fly a travaillé sur un terrain d'entraînement militaire dans le désert dans l'ouest de l'Utah de 1981 à 1993. Il a été le premier à utiliser la technologie de la «fluorescence de l'air» pour déterminer les énergies et les directions des rayons cosmiques de haute énergie, qui utilisaient la lumière émise par les molécules d'azote lorsque les rayons traversaient l'atmosphère. En 1991, l'Œil de la mouche a découvert un rayon cosmique, qui à ce jour est considéré comme la particule de plus haute énergie détectée.

La trace légèrement lumineuse de la particule Oh-My-God ("Adoré" - comme le fondateur d'Autodesk, John Walker l'a appelé dans l'un de ses premiers articles sur le Web) a été repérée parmi les yeux d'une mouche l'été prochain. Des messages à son sujet sont apparus seulement un an plus tard, après qu'un groupe de scientifiques a pu se convaincre de sa réalité. La particule a battu le record de vitesse qui l'avait frappé pendant plusieurs décennies. Avant cela, il a été installé par une particule découverte par Kenneth Greisen, Georgy Zatsepin et Vadim Kuzmin - 60 EeV. Ils pensaient que toute particule de plus grande énergie la perdrait lors des interactions avec le rayonnement de fond de l'univers. Ce principe de perte d'énergie, qui a été appelé la "perte du GZK", suggère qu'une particule de "Adorable" nous a volé d'un objet proche - peut-être de notre superamas galactique.Mais pour l'obtenir, il faudrait un accélérateur spatial aux proportions inimaginables. Et dans la direction d'où il s'est envolé, les scientifiques n'ont rien trouvé de convenable.

"Comme si vous aviez un gorille invisible dans votre cour qui vous lance des boules de bowling", a expliqué Kieda.

D'où vient la particule "Adorable"? Comment est-elle même apparue? Et l'était-elle? Ces questions ont incité les scientifiques à construire des détecteurs plus sophistiqués, qui ont depuis lors enregistré des centaines de milliers de rayons cosmiques à ultra-haute énergie de plus de 1 EeV, y compris plusieurs centaines d'événements ultra-GZK avec des particules ayant des énergies de plus de 60 EeV (cependant, aucun d'entre eux n'a atteint 320 EeV).

Les particules qui ont battu le record GZK pourraient avoir un aperçu de ce domaine de la physique qui était autrement inaccessible - peut-être même relier la physique quantique à l'évolution de l'espace. Ou, au moins, découvrez d'étonnants objets astrophysiques qui jusque-là ne semblaient que des points sur les lentilles du télescope. Mais au fil du temps, la recherche n'a fait qu'engendrer plus de confusion. «Il est difficile d'expliquer les résultats, de les relier à l'une des théories existantes», explique Paul Sommers, astrophysicien à la Pennsylvania State University, spécialisé dans les rayons cosmiques à ultra-haute énergie. "Il y a des problèmes avec n'importe quelle hypothèse."


Graphique logarithmique des fluctuations des rayons cosmiques en fonction de l'énergie. La ligne comporte deux virages, appelés «genou» et «cheville» du spectre

Ce n'est que récemment que les chercheurs, ayant découvert un "point chaud" dans le ciel, ayant attrapé plusieurs particules de haute énergie, les scientifiques ont pu suivre la voie de la compréhension des rayons cosmiques de haute énergie.

Problèmes de cheville

Chaque seconde, chaque mètre carré de terre est percé de milliers de rayons cosmiques. Et personne ne les a découvert jusqu'à ce que le physicien autrichien Victor Hess se lève en ballon en 1910. Il a appris que la quantité de rayonnement ionisant augmente avec la hauteur. Il a pris des mesures lors d'une éclipse solaire et a découvert que la plupart des rayonnements nous parviennent indépendamment du soleil. Pour cela, en 1936, il a reçu le prix Nobel.

Les rayons cosmiques pénètrent notre planète de tous les côtés et ont une distribution fluide des énergies. Au niveau de la mer, nous subissons un rayonnement de faible intensité, qui provient de l'interaction des rayons avec notre atmosphère. La plupart des rayons sont des protons uniques, la plupart des rayons restants sont des noyaux plus lourds et plusieurs d'entre eux sont des électrons. Les rayons avec plus d'énergie sont moins courants. Les plus rares d'entre eux, ayant une énergie de plus de 1 EeV, ne tombent dans un kilomètre carré de la planète qu'une fois tous les cent ans.

Si nous traçons le nombre de rayons passant à travers les détecteurs en fonction de leur énergie, nous obtenons une ligne avec une pente négative et deux virages - le «genou» et la «cheville». Ces excès, en théorie, montrent une transition entre des rayons de nature différente ou des rayons provenant de sources d'énergie plus puissantes. Mais quels sont ces types et quelles sources?

Comme de nombreux experts, Karl-Hayens Kampert, professeur d'astrophysique à l'Université de Wuppertal en Allemagne et représentant de l'observatoire. Pierre Auger, le plus grand détecteur de rayons ultra-haute énergie au monde, estime que les rayons cosmiques sont accélérés par des phénomènes similaires aux pops lorsque l'avion passe à une vitesse supersonique. «L'accélération des chocs» est «un processus fondamental qui se produit à différentes échelles de l'univers», explique Campert. Des éruptions solaires aux explosions d'étoiles, des pulsars à rotation rapide aux radiations émanant des noyaux actifs des galaxies. Tout cela est le résultat d'un mouvement de plasma supersonique, qui conduit à l'apparition d'une onde de choc, qui forme une couche superficielle de protons et d'autres particules. Les particules sautent à l'intérieur de l'onde et sont réfléchies par ses bords, prises entre le champ magnétique du plasma et le vide de l'espace vide. Et à chaque saut, la particule gagne en énergie. "Puis elle éclate", explique Campert, "et se déplace à travers l'univers pour être attrapée par le capteur."

Mais les tentatives de comparer différentes ondes de souffle avec le spectre d'énergie des rayons cosmiques reçus ont mis les astrophysiciens dans une position difficile. On pourrait s'attendre à ce que le «genou» et la «cheville» marquent les points les plus élevés auxquels les protons et les noyaux peuvent être activés à l'intérieur des ondes de choc. Les calculs montrent que les protons atteignent la limite au point de 0,001 EeV - et en effet, cela coïncide avec le graphique. Les noyaux plus lourds devraient atteindre des énergies de l'ordre de 0,1 EeV, puis céder la place à des rayons plus puissants provenant de sources extérieures à la galaxie qui ne se trouvent pas dans notre Voie lactée et qui peuvent eux-mêmes avoir la taille d'une galaxie. Cependant, la «cheville» obtenue dans les mesures est de l'ordre de 5 EeV, un ordre de grandeur supérieur au maximum théorique pour les rayons cosmiques galactiques. Personne ne sait pourquoi il en est ainsi.

Après la cheville, à environ 60 EeV, la ligne commence à aller à zéro, dessinant quelque chose comme un orteil. Il s'agit probablement de la limite GZK, au-delà de laquelle les rayons cosmiques perdent rapidement de l'énergie lorsqu'ils interagissent avec le rayonnement de fond. L'existence de cette limite, que Campert appelle la "seule prédiction claire" faite sur les rayons cosmiques, a été confirmée par le détecteur suivant l'Œil de la Mouche appelé High Resolution Fly's Eye, HiRes. De cette position, le spectre d'énergie diminue à un mince flux de particules super-GZK, et se termine à 320 EeV avec un point - "Adorable".

La présence de la limite GZK suggère que les lois de la physique fonctionnent comme prévu. Les particules qui ont dépassé cette limite ne les réfutent pas, mais ont simplement volé à proximité, et le rayonnement de fond n'a pas réussi à leur enlever leur énergie. Mais d'où venaient-ils et comment? Pendant 20 ans, il a semblé que les particules venaient de partout et de nulle part. Mais finalement, un «point chaud» a été découvert dans l'hémisphère nord.

Plus chaud

Dans l'Utah, à trois heures de route du premier «Eyes of the Fly» est son dernier descendant - un réseau de détecteurs de 762 kilomètres carrés. appelé le télescope Array. L'expérience a suivi le passage de milliards de particules cosmiques depuis 2008. "Nous avons observé une augmentation de l'importance statistique du point chaud au fil des ans", a déclaré Gordon Thomson, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de l'Utah et porte-parole de TA.


Sur les 87 rayons cosmiques qui ont franchi la barre à 57 EeV, 27% provenaient de 6% de la surface de la sphère céleste

Le point chaud des rayons trans-GZK avec un centre dans la constellation d'Ursa Major n'était initialement pas intéressant. Mais au cours de la dernière année, il a atteint une signification statistique de 4 sigma, c'est-à-dire que la probabilité qu'il soit réel est de 99,994%. Thomson et l'équipe doivent atteindre une valeur de 5 sigma afin d'annoncer officiellement la découverte (ils espèrent que cela se produira en juin).

«C'est excitant», dit Linden. Des données supplémentaires les aideront à déterminer l'emplacement du point chaud (maintenant il est flou en raison de la déviation des rayons cosmiques dans la galaxie et dans le champ magnétique terrestre). Le gorille invisible va bientôt se matérialiser.

Entre-temps, certaines des particules d'intérêt s'accumulent dans les capteurs IceCube, un kilomètre cube de glace stocké sous le pôle Sud. Depuis 4 ans, IceCube a suivi de rares traces de neutrinos qui interagissent à peine avec la matière, mais se retrouvent en abondance dans tout l'univers.

Parfois, les neutrinos interagissent avec les atomes passant à travers un IceCube, et le rayonnement qui se produit pendant ce processus peut être détecté. Leur direction de mouvement dessine une nouvelle carte cosmique, qui peut être comparée aux cartes des rayons de haute énergie et de la lumière. En 2013, les chercheurs d'IceCube ont annoncé l'observation de la toute première paire de neutrinos de haute énergie avec une énergie de 0,001 EeV, qu'ils ont appelé Bert et Ernie. Ils pourraient provenir d'où proviennent les rayons cosmiques de haute énergie. Les neutrinos ont un avantage sur les autres rayons - ils sont gratuits, ils volent donc toujours en ligne droite.


Observatoire des neutrinos IceCube

Sur les 54 neutrinos à très haute énergie découverts lors de l'exploitation d'IceCube, quatre ont volé depuis la zone «chaude». Tels, comme l'a dit Linden, «un soupçon de corrélation»: comme les neutrinos voyagent plus vite que les rayons cosmiques, leur source commune pourrait émettre nos particules énergétiques pendant de nombreuses années. Les scientifiques ont rejeté les sources à court terme comme les sursauts gamma et envisagent des processus de plus longue durée - par exemple, une galaxie avec des étoiles naissantes et un trou noir supermassif au centre. "Au cours des prochaines années, nous attraperons plus de neutrinos et vérifierons la corrélation", explique Linden.

Parallèlement au rayonnement cosmique et aux neutrinos, les scientifiques étudient également le rayonnement gamma. Ils sont étudiés par les projets HESS (High Energy Stereoscopic System) en Namibie et VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) en Arizona, où travaille le même Kieda qui participait au projet Eye of the Fly. La combinaison de trois phénomènes devrait permettre de détecter et de clarifier l'image des accélérateurs de particules les plus puissants de l'univers.

Thomson est prêt à parier qu'il s'agira de chaînes de galaxies et de matière noire appelées « filaments galactiques » - les plus grandes structures de l'Univers, ayant des centaines de millions d'années-lumière de longueur. Il dit que les scientifiques ont plusieurs «endroits intéressants» à étudier dont vous avez juste besoin pour collecter plus de données.

Vider la piscine

Campert de l'observatoire. Pierre Auger aborde par contre la question des particules de haute énergie. Il demande: "À quoi ressemblent-ils?"


Victor Hess a découvert un rayonnement cosmique, montant dans un ballon.

Certains astrophysiciens considèrent l'Observatoire Auger "malchanceux". Il occupe 3 000 km2. dans les domaines de l'Argentine, il recueille beaucoup plus de données que le réseau de télescopes, mais ne peut détecter aucun "point chaud" dans l'hémisphère sud. Elle a rassemblé des preuves d'une petite quantité de rayons trans-GZK en direction du noyau de la galaxie Alpha Centauri. Mais peut-être qu'elle ne pourra toujours pas collecter suffisamment de données pour pointer le point chaud en toute confiance. Il est possible que le manque de données soit un mystère intéressant en soi.

«Nous avons beaucoup de données et nous ne voyons rien de tel», explique Sommers, qui a aidé à concevoir et à organiser l'Observatoire Auger. - C'est tout simplement incroyable. Dans les années 80, je parierais beaucoup d'argent sur le fait qu'avec de telles statistiques, nous obtenons des points chauds et des schémas clairs. C'est surprenant. "

De plus, le graphique dans la région des noyaux plus lourds à la fin du spectre des rayons cosmiques peut servir d'indice. Tout comme les supernovae accélèrent les protons au-delà des «genoux» du spectre, et au-delà de cette limite, seuls les noyaux plus lourds peuvent accélérer - c'est aussi ainsi que se comportent les accélérateurs les plus puissants de l'univers. Les scientifiques observent peut-être la fin réelle du spectre des rayons cosmiques - les points où les protons, puis l'hélium, le carbone et le fer, atteignent leur maximum.

À ce jour, les théoriciens tentent d'imaginer comment les candidats pour les accélérateurs accélèrent les particules à 200 EeV, ou, en tant que particule de l '«Adorable», à 320 - même s'il s'agissait d'une particule de fer.

Le fait de l'enregistrement d'une particule est remis en cause. Au début des années 90, Sommers, temporairement employé à l'Université de l'Utah, a aidé à l'analyse du signal à 320 EeV. Et même si, à ce moment-là, tout était assez bien mesuré, l '«œil de la mouche» à cette époque était «monoculaire» - la deuxième partie de l'œil n'était que terminée. Il n'avait pas la précision et les informations dont disposaient ses partisans. Sommers affirme que bien qu'il n'y ait aucune raison particulière de douter, des soupçons demeurent. Puisque les laboratoires modernes et plus précis ne pouvaient rien attraper avec une telle énergie.

En revanche, lors du calcul de l'énergie de la particule "Adorable", on pourrait se tromper dans l'autre sens. Et en tout cas, ce fait a motivé la poursuite de l'étude des particules dont les énergies dépassaient la limite GZK. Mais, même si le calcul de son énergie était erroné, maintenant personne ne le saura.