p + γCMB→ ∆+→ p + π0,
p + γCMB→ ∆+→ n + π+. ((i) 2.54)
Étant donnée la distribution en énergie des photons du fond diffus cosmologique, le seuil d’éner-gie des protons pour ces réactions est situé approximativement autour de 5 × 1019eV, ce qui correspond à la coupure observée. Il est à noter que parmi les produits de décroissance des pions chargés ainsi émis figurent des neutrinos, qui emporteraient la moitié de l’énergie des protons incidents. Ces neutrinos cosmogéniques, d’ultra-haute énergie, constituent une partie du flux diffus attendu par les télescopes à neutrinos tels qu’Antares, et leur observation permettrait de confirmer l’existence de la coupure GZK [33].
Fig. (i) 2.14:Mesures du flux de rayons cosmiques à ultra-haute énergie, multiplié par E3. La figure de gauche présente les résultats bruts, tandis que sur la figure de droite les résultats de chaque expérience sont ajustés par un facteur donné dans la légende afin d’être normalisés aux mesures d’HiRes [img20].
À haute énergie, les particules ne sont pas directement détectables (paragraphe (i) 2.4) : seules les particules secondaires le sont. Par conséquent, les données laissent une large place à l’interprétation, et aucun consensus concernant la composition du spectre à haute énergie n’a pu être atteint à ce jour (lire le paragraphe (i) 2.3). Si leur existence n’est pas discutée, l’interprétation des inflexions du spectre fait donc toujours débat — la coupure GZK faisant exception, étant à la fois reconnue théoriquement et controversée expérimentalement. . .
2.3 Composition des RCs
Anatomie fémorale
variable : elle est notamment altérée par la magnétosphère, qui joue le rôle d’un bouclier ma-gnétique, et influencée par les particules du vent solaire (hydrogène et hélium).
Aux énergies de l’ordre du GeV, l’influence des champs magnétiques locaux est moindre. La composition des RCs est relativement bien connue jusqu’au genou : le flux est largement dominé par les protons, suivis par les noyaux d’éléments de plus en plus lourds — sans toutefois suivre l’ordre donné par le nombre de nucléons, la nucléosynthèse elle-même ne suivant pas ce schéma. Comme le montre la figure (i) 2.15, certains éléments sont plus abondants dans le flux de RCs qu’au niveau du système solaire (la composition chimique de ce dernier étant déterminée à partir des mesures spectroscopiques et de l’étude des chondrites carbonées22), en particulier le lithium, le béryllium et le bore, absents de la nucléosynthèse stellaire. Ils sont vraisemblablement créés par spallation (décomposition d’un noyau en noyaux plus légers après une collision sur le milieu interstellaire), notamment des noyaux de carbone et d’oxygène, ou de fer pour les noyaux plus lourds. Les électrons constituent également une part non négligeable du spectre à ces énergies, et dans une moindre mesure les positrons, ainsi que quelques antiprotons. Jusqu’à 100 GeV, la composition et le flux sont en accord avec la production dans les supernovæ galactiques.
Fig. (i) 2.15: Abondance relative des noyaux atomiques dans le système solaire (triangles gris) et dans les rayons cosmiques (autres points) en fonction de leur charge autour de 1 GeV/n, normalisée telle que le silicium soit à 100 [img21].
Bien que la composition du spectre soit connue dans cette gamme en énergie, la précision limitée des instruments laisse encore le champ libre à quelques surprises, telles que l’ anomalie Pamela : ce satellite a récemment découvert un excès significatif dans le rapport Ne+/Ne−
entre 10 et 100 GeV (limite supérieure de sensibilité du détecteur) [75], que les expériences HEAT et AMS-01, malgré les indices accumulés, n’avaient pu formellement identifier faute d’une précision suffisante. Cette structure inattendue, encore inexpliquée, a depuis été corroborée par d’autres expériences, qui ont notamment infirmé l’hypothèse d’un déficit d’électrons en montrant que l’excès apparaît également dans le flux total électrons-positrons, et jusqu’au-delà du TeV [76, 77, 78, 79, 80].
Arthrologie du genou
Connaître précisément la composition du spectre autour des sous-structures facilite leur
2. Un soupçon de Physique des Hautes Énergies 35 préhension. Malheureusement, cette information est difficilement accessible expérimentalement, car les particules à ces énergies ne sont actuellement détectables qu’au travers des RCs secon-daires (lire le paragraphe (i) 2.4). Les résultats les plus probants obtenus autour du genou sont ceux de l’expérience Kascade, qui suggèrent que l’énergie correspondant au point d’inflexion du spectre de chaque élément augmente avec leur masse [81]. La résolution est cependant limitée par les capacités des modèles hadroniques à représenter les interactions des noyaux lourds avec l’atmosphère aux énergies considérées.
De multiples explications, qu’il n’est pas question d’énumérer ici (on pourra éventuellement orienter le lecteur vers l’une des revues les plus récentes et les plus complètes sur le sujet [82]), ont été avancées pour expliquer ce phénomène ; on notera simplement que la structure du genou, si elle commence à s’éclaircir, n’est certainement pas prète à dévoiler le mystère de ses origines.
Derrière les bas. . .
Quoi qu’il en soit, la masse moyenne des RCs augmente donc avec l’énergie au niveau du genou, et entre le genou et la cheville le flux est vraisemblablement dominé par les noyaux lourds. On considère que les RCs sont d’origine galactique jusqu’à des énergies comprises entre 100 et 1000 PeV (1017à 1018eV), hypothèse corroborée par l’intensification du flux de RCs dans la direction du plan galactique. En effet, une particule chargée massive en mouvement dans un champ magnétique B n’aligne pas complètement sa trajectoire suivant les lignes de champ : elle effectue une rotation autour de la ligne de champ, et sa trajectoire est donc une hélice dont le rayon est donné par le rayon de Larmor,
rL≡ R
Bc, ((i) 2.55)
contraint par la rigidité magnétique de la particule R ≡ pc
Ze, ((i) 2.56)
qui dépend de son impulsion p et de sa charge Z. Le champ magnétique galactique étant de l’ordre du microgauss, et l’épaisseur du disque galactique étant de l’ordre du kiloparsec, les RCs sont confinés dans la galaxie tant que leur énergie est inférieure à
Emax ' Z · e · c · rL· B ∼ Z × 1018eV, ((i) 2.57)
ce qui correspond aux énergies de la cheville. On constate que l’énergie de confinement est proportionnelle au nombre de protons du noyau, ce qui explique le décalage du point de flexion selon la taille des noyaux. Ceci dit, d’autres explications, telles qu’une accélération jusqu’à des énergies proportionnelles à Z dans les ondes de choc des supernovæ, pourraient également expliquer les données.
Autour de la cheville, bien que des données précises soient encore inaccessibles, certains indices semblent indiquer un nouveau changement dans la composition, qui deviendrait plus légère. Cela pourrait s’expliquer par le fait que les protons d’énergie supérieure à 10 EeV (1019eV) ne sont pas confinés par le champ magnétique galactique, et la distribution isotrope des RCs au-dessus de cette énergie suggère également que le flux est dominé par des sources de protons extra-galactiques. L’origine de ces RCs d’ultra-haute énergie (UHE23) est encore un mystère, aucune source connue n’étant a priori capable d’accélérer des particules à ces énergies. De plus,
l’interaction des protons d’UHE avec les photons du CMB (effet GZK, lire le paragraphe (i) 2.2) limite en principe la propagation des protons d’énergie supérieure à 100 EeV (1020eV) à une centaine de Mpc, et aucune source à cette distance de la Terre ne peut être suspectée d’être une source d’UHECRs. Enfin, les modèles hadroniques actuels sont encore inadaptés à la description des interactions atmosphériques à ces énergies.