10/11/2016

Les rayons cosmiques ultra-énergétiques produisent trop de muons

Vue artistique de gerbes de rayons cosmiques ultra-énergétiques (ASPERA/Novapix/L. Bret)

La collaboration Pierre Auger, qui étudie les rayons cosmiques ultra-énergétiques via les gerbes de particules qu'ils produisent dans l'atmosphère, vient de trouver que ces particules produisent plus de muons que ce que prédisent les modèles théoriques utilisés au LHC, une anomalie encore inexpliquée.




Glennys Farrar (Université de New York) et ses collaborateurs de la vaste collaboration qui exploite le grand réseau de détecteurs Pierre Auger installé dans la Pampa argentine, se sont intéressés aux rayons cosmiques ultra-énergétiques, les UHECR (ultra high energy cosmic rays). Leur étude porte sur 411 spécimens, des noyaux atomiques dont la provenance est estimée en dehors de notre galaxie et dont l'énergie est colossale, jusqu'à 10 millions de TeV.
Le détecteur Pierre Auger est constitué de 1660 petites unités de détection Cherenkov réparties sur plusieurs milliers de kilomètres carrés. Il permet de détecter l'interaction des muons dans les gerbes de particules qui sont produites quand ces UHECR impactent la haute atmosphère.
Ces cuves d'eau instrumentées sont complétées par 27 télescopes placés aux quatre coins du réseau et qui détectent la lumière de fluorescence atmosphérique (ultra-violets) qui apparaît au passage d'une gerbe de particules secondaires.

Principe du détecteur hybride de l'Observatoire Pierre Auger (APC/CNRS/Université Paris Diderot)

Les scientifiques de l'Observatoire Pierre Auger trouvent que ces 411 rayons cosmiques de très haute énergie produisent entre 30 et 60% plus de muons que ce qui était attendu. Ce résultat étonnant indique soit que les modèles théoriques expliquant la production de muons sont en partie erronés ou soit que la physique est différente à ces énergies extrêmes...

Les modèles théoriques de référence sont ceux qui ont été construits et raffinés à partir des données obtenues couramment auprès du LHC au CERN, où des protons de 13 TeV (seulement!) sont produits pour être collisionnés. L'énergie incidente des rayons cosmiques ultra-énergétiques analysés par les astrophysiciens des particules de Pierre Auger est environ 1 million de fois plus grande que celle produite au CERN. Ces UHECR sont pour la majorité d'entre eux des noyaux atomiques et des protons relativistes, qui seraient produits par des supernovas et d'autres sources d'accélération situées bien au delà de notre galaxie.
Une des 1660 cuves instrumentées pour la détection de la lumière Cherenkov (Université de Leeds)

Lorsqu'ils impactent la haute atmosphère de la Terre, une cascade de milliers de particules secondaires est produite. Un proton par exemple transformera près de 40% de son énergie en une cascade hadronique faite de protons, neutrons et pions. Les pions neutres se désintègrent alors très vite en photons qui à leur tour produisent des paires d'électrons et positrons qui vont recréer des photons gamma, en une cascade électromagnétique. Les pions chargés, eux, vont interagir à nouveau avec les atomes d'azote et d'oxygène pour produire d'autres pions neutres et finalement, après avoir perdu beaucoup d'énergie, des muons qui atteignent le sol.
Les détecteurs de Pierre Auger détectent ces muons et permettent aux physiciens de reconstruire l'histoire de la gerbe de particules jusqu'à l'énergie de la particule initiale. Ces événements de ultra-haute énergie sont assez rares. A une énergie de 1019 eV (soit 100 TeV dans le référentiel du centre de masse du nucléon incident et des atomes de l'atmosphère), le nombre d'événements est de l'ordre de 1 particule/km²/an. Auger en détecte quelques milliers par an.

Les rayons cosmiques qui sont détectés à la fois par les détecteurs Cherenkov et par les télescopes à fluorescence sont appelés des événements hybrides, ils constituent seulement une petite fraction de toutes les gerbes mises en évidence. Il faut dire que la fluorescence de l'atmosphère ne peut être vue que lors de nuits très claires et sans Lune. Les événements hybrides sont particulièrement intéressants pour les physiciens des astroparticules car la donnée de fluorescence fournit le profil de la gerbe (l'intensité en fonction de la distance de pénétration atmosphérique), et ce profil est très sensible à la composition du rayonnement primaire.
Schéma de fonctionnement d'un élément Cherenkov (Pierre Auger Observatory)
D'un côté, la majorité des muons atteignant le sol sont issus de réactions qui impliquent des pions chargés, ils fournissent donc des informations cruciales sur les processus hadroniques qui ont lieu. Et de l'autre côté, les cascades atmosphériques détectées par les télescopes à fluorescence, sont surtout issues d'électrons et de positrons qui ont été produits par les premières interactions hadroniques, et fournissent donc presque directement l'énergie des particules primaires. Il aura fallu 9 ans pour que les détecteurs de Pierre Auger capturent 411 événements hybrides ultra-énergétiques.

Pour chacun des événements hybrides détectés, les chercheurs comparent le signal mesuré au sol et le signal attendu à partir de calculs issus des modèles utilisant les paramètres déterminés par les dernières mesures du LHC. Comme ces calculs dépendent de la nature du noyau atomique impliqué dans la première interaction ainsi que de l'altitude de cette interaction primaire, les chercheurs font des simulations, 25000 différentes pour chaque événement en moyenne, échantillonnant toutes les possibilités à la recherche du meilleur ajustement aux données expérimentales des télescopes à fluorescence.
Par ailleurs, les physiciens doivent trier les gerbes de particules en sélectionnant seulement celles qui proviennent de muons et en éliminant celles qui sont issues d'électrons et positrons. L'astuce consiste à sélectionner les gerbes qui arrivent avec un angle d'incidence supérieur à 37°, qui sont celles qui sont préférentiellement induites par des muons.
Les résultats obtenus pour les gerbes électromagnétiques (via des électrons et positrons) correspondent parfaitement aux modèles théoriques, mais en ce qui concerne les gerbes hadroniques, un excès de 30 à 60% de muons apparaît par rapport au calcul théorique.


Le miroir de l'un des 27 télescopes détectant la lumière ultraviolette de fluorescence de l'atmosphère (Katia Moskvitch)

Une telle anomalie par rapport aux modèles avait déjà été entrevue en 2000 par le détecteur américain HiRes-MIA et déjà par Auger en 2015 sur des gerbes quasi horizontales. Ces nouveaux résultats viennent donc confirmer ces précédentes mesures, en les rendant plus robustes grâce à l'ajout de la détection de la fluorescence atmosphérique.

Ces résultats suggèrent donc que les meilleurs modèles d'interactions hadroniques oublient quelque chose. Se pourrait être par exemple une production beaucoup plus importante de paires de baryons-antibaryons. L'autre possibilité pouvant expliquer cette anomalie serait que la physique des interactions fortes soit différente aux énergies très supérieures à celles testées au LHC. La question reste ouverte...

Source :

Testing Hadronic Interactions at Ultrahigh Energies with Air Showers Measured by the Pierre Auger Observatory
A. Aab et al. (Pierre Auger Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 117, 192001 (2016)
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.192001

Illustrations : 

1) Vue artistique de gerbes de rayons cosmiques ultra-énergétiques
(ASPERA/Novapix/L. Bret)


2) Principe du détecteur hybride de l'Observatoire Pierre Auger (APC/CNRS/Université Paris Diderot)

3) Une des 1660 cuves instrumentées pour la détection de la lumière Cherenkov (Université de Leeds)

4) Schéma de fonctionnement d'un élément Cherenkov (Pierre Auger Observatory)

5) Le miroir de l'un des 27 télescopes détectant la lumière ultraviolette de fluorescence de l'atmosphère (Katia Moskvitch