Au CERN, la première mesure réelle d’une gerbe cosmique contredit les simulations informatiques

Des scientifiques du CERN se sont servis du Grand Collisionneur de Hadrons pour créer sur place le même phénomène qui se produit lorsque des rayons énergétiques présents dans l’Univers heurtent les gaz de l’atmosphère terrestre. La clé pour comprendre les mécanismes au cœur des gerbes de particules cosmiques, ces cascades qui naissent quand un rayon cosmique percute l’atmosphère.

Depuis la Terre, il peut arriver que de grandes traînées lumineuses vertes ou rouges traversent le ciel, notamment dans les latitudes les plus élevées, mais aussi parfois jusqu’à la France. Le phénomène des aurores boréales, s’il n’est pas familier à tout un chacun, reste un processus vu très régulièrement depuis le sol et qui fascine à travers le monde.

Mais dans l’espace, ce sont des phénomènes bien plus complexes, et parfois difficiles à expliquer, qui se déroulent. Pour en savoir plus, une équipe de la collaboration ATLAS, menée par le physicien Jesse Liu (université de New York), a mobilisé les capacités du Grand Collisionneur de Hadrons, cet immense accélérateur de particules installé au CERN, en Suisse. Ils publient leurs résultats dans la revue scientifique Physical Review Letters.

Voir une gerbe de particules cosmiques de plus près

Dans leur « état naturel », les gerbes de particules cosmiques se forment lorsque des rayons cosmiques – des particules très énergétiques venues de l’espace, le plus souvent des protons – entrent en collision avec l’atmosphère terrestre. Plus précisément, ces rayons heurtent des particules de gaz présents dans la haute atmosphère terrestre. L’énergie libérée par ces collisions engendre une cascade de nouvelles particules qui file vers le sol. Attention toutefois : ces gerbes ne se confondent pas avec les aurores boréales évoquées plus haut. Ces dernières, bien moins énergétiques, sont dues au vent solaire canalisé par le champ magnétique terrestre.

Mais les détails de tous ces mécanismes restent encore bien flous pour les spécialistes de la question, ce qui les a poussés à observer le phénomène de plus près, et sans se reposer sur des simulations informatiques qui, selon les paramètres, provoquent l’apparition de résultats contradictoires. D’autant plus lorsque l’on fait entrer dans l’équation des phénomènes autrement plus violents que ceux qui se déroulent à la surface du Soleil.

Dans le Grand Collisionneur de Hadrons, les scientifiques ont fait se percuter des noyaux d’oxygène et des protons, afin de recréer sur place le genre de rayons cosmiques qui apparaissent lors d’une supernova. L’idée étant de comprendre ce qui se passe lorsque les rayons cosmiques sont très différents de ceux qui sont créés par le Soleil lors de ses éruptions.

Mieux que par ordinateur

La collision entre les protons, qui jouent le rôle du rayon cosmique issu d’une supernova, et les noyaux d’oxygène, qui représentent l’atmosphère terrestre, constitue la première mesure en laboratoire d’une gerbe de particules cosmiques.

Pour observer tout cela, les auteurs de l’étude se sont servis d’une caméra à 100 millions de pixels pour capter le maximum de collisions, sachant qu’il y en a eu environ 40 millions par seconde ! Les premiers résultats ne révèlent pas les secrets des mécanismes qui se déroulent lors de ces phénomènes. En revanche, ils confirment une chose. Les simulations informatiques qui tentent d’en saisir la complexité sont à côté de la plaque.

Les premières mesures réalisées ainsi montrent que les précédents modèles ne correspondent pas à ce qui se joue en réalité lorsque les particules cosmiques entrent en collision avec les atmosphères des planètes. Des données d’autant plus utiles que le peu d’interactions réelles dont nous pouvons être témoins concerne uniquement le couple Terre-Soleil, ou, plus rarement, Mars. Mais lorsqu’il s’agit d’étoiles plus grosses, plus brillantes ou plus actives que la nôtre, les réactions peuvent être tout autres.

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