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Dossiers de presse

 

Paris, le 26 mai 1999

 

L'observatoire Pierre Auger, projet international de détecteur de rayons cosmiques de très haute énergie

 


 

Les rayons cosmiques de haute énergie provenant de l'espace qui frappent l'atmosphère terrestre représentent une véritable énigme. Ces rayons se désintègrent en créant de spectaculaires gerbes de particules qui peuvent être détectées au sol. De tels rayons à très haute énergie, supérieure à 7x1019 eV, sont très rares : seulement quelques événements par kilomètre carré et par siècle, et quelques dizaines d'observations dans le monde depuis 1962. Pourtant, leur simple existence est un défi pour le physicien théoricien. En effet ces rayons cosmiques sont supposés être des protons. Mais cette supposition, la plus naturelle, se heurte à une difficulté. Les protons de très haute énergie parcourant de grandes distances dans l'espace sont en quelque sorte freinés par le gaz de photons très diffus qui forme le fameux rayonnement de fond cosmologique à 3 K, témoin fossile du big-bang. Cet effet, appelé "coupure de Greisen-Zatsepin-Kuz'min" (GZK) devrait supprimer complètement les rayons cosmiques de très haute énergie, ou du moins ceux émis par des sources lointaines, réparties sur des distances dites "cosmologiques" (celles qui se mesurent en centaines de millions d'années lumière). Or, les quelques observations dont on dispose ne montrent pas du tout une telle coupure, mais bien au contraire une certaine remontée relative de ces événements de très haute énergie.

Le projet d'observatoire Pierre Auger, en fournissant des données beaucoup plus nombreuses dans cette gamme d'énergie, devrait permettre de lever sans doute un coin du voile sur ces interrogations fondamentales : de quoi sont constitués ces rayons cosmiques de très haute énergie ? Quelles sources astrophysiques ont pu les émettre ? Ces sources sont-elles réellement situées à des distances cosmologiques ?

En effet, la présence d'événements au-delà de la coupure GZK peut s'expliquer de plusieurs façons. On peut tout d'abord supposer que les rayons sont réellement formés de protons : mais alors les sources émettrices doivent être situées à des distances relativement faibles, non "cosmologiques". Or aucun objet astrophysique "violent", susceptible d'émettre des particules d'une telle énergie, n'est observé à faible distance dans les directions d'arrivée des quelques événements connus. Dans ce cas, il faudrait donc qu'il existe des champs magnétiques assez intenses entre les sources et la Terre, de façon à courber suffisamment les trajectoires des protons pour brouiller leur direction d'émission. Ou bien, hypothèse plus excitante encore, ces rayons cosmiques pourraient bien provenir de distances cosmologiques, mais alors être formés de particules plus lourdes, encore inconnues, moins freinées par le rayonnement de fond et n'obéissant donc pas à la coupure GZK. Il pourrait par exemple s'agir de cordes cosmiques, de monopôles magnétiques, ou d'autres particules dont l'existence est supposée par certaines extensions du Modèle standard de la physique des particules.

Les problèmes théoriques posés par les rayons cosmiques font l'objet d'une étude qui implique étroitement trois départements du CNRS : sciences physiques et mathématiques, IN2P3 et Insu.

Le département d'astrophysique relativiste et de cosmologie (Darc) (CNRS - Observatoire de Paris) étudie les caractéristiques des objets candidats (monopôles, protons déviés par des champs magnétiques, par exemple) et en prédit les signatures spécifiques, c'est-à-dire la manière dont ils peuvent être détectés. En collaboration avec les expérimentateurs, et en fonction des caractéristiques spécifiques des détecteurs de l'observatoire Auger, les chercheurs du DARC s'efforceront de mettre en évidence ces signatures spécifiques afin de trancher entre les différentes hypothèses évoquées plus haut.

L'Observatoire de Besançon (Insu/CNRS) est responsable de certains aspects du fonctionnement de l'observatoire Pierre Auger (voir le texte "La mesure du Temps"). Il étudie également les caractéristiques des sources éventuelles de rayons cosmiques, en particulier pour comprendre les mécanismes d'accélération qui peuvent leur conférer de telles énergies. Si de nombreux mécanismes ont été proposés, aucun n'est en effet véritablement convaincant. Parmi les objets astrophysiques connus, les sources de ces rayons cosmiques pourraient se situer dans les lobes de radiogalaxies, dans les zones de collision entre galaxies ou même entre amas de galaxies. Il s'agit de répertorier ces objets et de comprendre leurs signatures spatiales et temporelles imprimées aux rayons cosmiques de très haute énergie afin de s'efforcer, lorsque les données d'Auger seront disponibles, de déterminer leur origine. L'Observatoire de Besançon travaille aussi dans le cadre d'un contrat "Alliance" avec le laboratoire de physique nucléaire des hautes énergies (LPNHE) (IN2P3/CNRS) et avec l'Université de Sussex en Angleterre sur les signatures des défauts topologiques dans les données de l'observatoire Auger. Cet axe se rajoute à l'étude des signatures des neutrinos de haute énergie menée notamment au LPNHE.

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