Le mystère des astro-particules – 2

Dans le premier article consacré à la physique, j’ai essayé de vous décrire de la manière la plus vulgarisée possible les concepts de base de la physique des astroparticules, en gros ce qu’est une astroparticule. C’est donc une particule venue d’en dehors de notre atmosphère et qui, lorsqu’elle traverse cette dernière, interagit avec elle pour donner de nombreuses particules dites secondaires qui peuvent être détectées au sol. C’est la détection de ces particules qui renseignent les physiciens sur la nature de la particule cosmique primaire, celle qui les intéresse avant tout!

J’ai expliqué que le “mystère des astroparticules” réside dans le fait que certaines de ces particules possèdent une énergie très élevée que les modèles de la physique n’arrivent pas encore à expliquer. Aussi, si les physiciens manquent d’information au sujet de ces “cas” exceptionnels, c’est essentiellement en raison de la rareté de ces événements. La solution pour détecter un plus grand nombre de particules de haute énergie consiste alors à toujours augmenter la taille des détecteurs utilisés.

J’ai donc promis d’expliquer en quoi consiste l’observatoire Pierre Auger. Néanmoins, j’ai réalisé qu’en désirant simplifier le contexte théorique au maximum, j’ai été obligé de laisser de côté un des aspects les plus “excitants”, selon moi, du grand mystère des astroparticules. Il n’est peut-être pas simple à saisir pour des personnes qui ne connaissent rien à la physique mais il me semble qu’une tentative d’explication en vaut largement la peine. La prochaine fois, promis, on parlera de Pierre Auger. Et que votre perspicacité puisse s’élever au-delà de ma médiocrité pédagogique laisse de l’espoir!

L’origine de ces particules très énergétiques est une question qui taraude les physiciens, bien plus que de savoir quels en sont les processus physiques responsables. Il y a une raison à cela et pour que vous la compreniez, il va falloir ajouter quelques notions à notre histoire.

Je vous ai caché une partie de la vérité. A vrai dire, beaucoup de physiciens ont cherché à expliquer les énergies extrêmes observées, et certains des modèles proposés se sont avérés très pertinents. Toutefois, en science, tant que l’expérience ne peut pas “prouver” ou réfuter la théorie, celle-ci ne peut pas être officiellement acréditée, ce qui paraît normal (ou contestable selon la position philosophique/épistémologique adoptée). Indépendamment de ces possibilités d’explications, un groupe de physiciens a publié un autre résultat, d’une importance capitale pour la physique des astroparticules. Voyons maintenant de quoi il s’agit.

Le vide interstellaire, traversé par les astroparticules dans leur voyage vers la terre, n’est pas véritablement un vide, au sens propre du terme. Il est en effet rempli de ce qu’on appelle le “rayonnement de fond cosmique”, constitué de photons, c’est-à-dire de lumière. Ces photons ont très peu d’énergie et leur densité est assez faible. Néanmoins, leur présence est suffisante pour ralentir les astroparticules. Pour celles qui possèdent une énergie dépassant un certain seuil, l’interaction avec le rayonnement de fond cosmique provoque la désintégration de la particule cosmique primaire en ses composantes secondaires, comme  à l’entrée dans l’atmosphère terrestre, sauf que dans ce cas les particules n’atteindront pas la terre. Concrètement, qu’est ce que cela veut dire? Et bien si ces particules se désintègrent avant d’atteindre la terre, comment est-il possible que nous en détections les produits secondaires sur terre? Le mystère est donc encore renforcé.

Il y a toutefois une solution, peut-être la seule. Si la source de ces particules est suffisamment proche de la terre, alors certaines d’entre elles pourront effectivement atteindre la terre. Mystère résolu alors? Et bien non, peut-être même encore plus mystérieux! En effet, les astronomes et astrophysiciens pensent comprendre relativement bien la structure et le comportement de notre univers proche de la terre, et aucune observation ne rend compte de l’existence possible d’objets physiques qui pourraient être responsables de telles énergies. Plus nous en apprenons, moins nous en comprenons, c’est ce qu’il semble en être de cette histoire.

Une seule chose est sûre (espérons-le du moins), c’est qu’il existe des particules d’une énergie extrême qui pénètrent l’atmosphère terrestre. Si ces particules proviennent effectivement d’une source proche de la terre, alors une expérience telle que celle de Pierre Auger (ce n’est pas la seule) devrait aider les physiciens à remonter à la direction d’arrivée de ces particules, en calculant une ligne virtuelle pointant directement vers leurs sources. L’espoir est que ces éventuelles sources soient peu nombreuses, ce qui faciliterait un peu le travail en restreignant le champ des recherches. Ou peut-être un mystère encore plus grand viendra-t-il remplacer le précédent.

Note:

Ce que nous entendons par sources “proches de la terre” est une notion très relative à l’échelle humaine mais tout à fait valable à l’échelle de l’univers…