Fig.1.6 – Spectre redress´e des rayons cosmiques, donnant le flux diff´erentiel multipli´e par E3 (extrait de Nagano & Watson, 2000). Les genou, second genou et cheville y apparaissent clairement, par ´energie croissante, de mˆeme que l’incertitude affligeante des flux de rayons cosmiques au del`a de la dizaine de joules.
confront´es sont extraordinairement faibles. Seule une poign´ee d’´ev´enements a ´et´e d´etect´ee au-del`a de 1020 eV, et l’´etablissement d’un flux pr´ecis avec une statistique aussi faible est tout simplement impossible, surtout dans un contexte o`u le flux en question est extrˆemement d´ependant de l’´energie (enE−3, rappelons-le), et si en outre la calibration en ´energie est difficile (pour des raisons exp´erimentales diverses) et les gerbes, par leur nature ´eminemment stochastique, sont sujettes `a des fluctuations intrins`eques encore incompl`etement comprises.
Il n’en faudra pas plus, nous l’esp´erons, pour inviter `a la plus grande prudence sur les donn´ees exp´erimentales actuellement disponibles dans ce«domaine GZK»du spectre des rayons cosmiques.9La seule chose qu’il semble raisonnable de conseiller, avant de se lancer dans des extrapolations th´eoriques ou ph´enom´enologiques qui se fondraient sur un sous-ensemble arbitrairement choisi des donn´ees, c’est de prendre un peu de recul et, peut-ˆetre, si la patience nous est permise, d’attendre les r´esultats de l’Observatoire Pierre Auger, tout proches, qui l`everont de mani`ere probablement d´ecisive l’essentiel des doutes qui persistent dans ce domaine.
9On signale d’ailleurs, pour m´emoire, que le d´esaccord si souvent affich´e entre les r´esultas d’HiRes et ceux d’AGASA n’ont qu’une significativit´e statistique d’environ 2.6σ, compte tenu des effets de propagation stochastiques discut´es plus loin.
26 CHAPITRE 1. AUTO-PR ´ESENTATION DU RAYONNEMENT COSMIQUE Commentaire personnel
Nous souhaitons encore proposer quelques commentaires sur cette partie du spectre qui semble, `a juste titre, focaliser une tr`es grande attention. La d´etection d’un nombre inattendu d’´ev´enements «super-GZK» par les instruments d’AGASA a fait naˆıtre les plus grands espoirs de voir le ciel nous livrer `a nouveau des informations essentielles sur la physique la plus fondamentale. Rappelons `a cet ´egard que ce sont d´ej`a les rayons cosmiques, mais `a bien plus basse ´energie, qui avaient permis il y a trois quarts de si`ecle la d´ecouverte de l’antimati`ere, avec le positron, puis du muon, des pions charg´es et neutre, des particules ´etranges, etc. Cette science du rayonnement cosmique s’´etait ensuite d´etach´ee de la science `a laquelle elle avait donn´ee le jour – la physique des particules – lorsque les acc´el´erateurs construits par l’homme, notamment `a Gen`eve, s’´etaient montr´e capables de prendre le relais et de d´elivrer, de mani`ere plus stable et plus facilement exploitable, leur propre faisceau de particules ´energ´etiques. Apr`es une
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eclipse de pr`es d’un demi-si`ecle, il est int´eressant de voir ces deux sciences `a nouveau converger, `a la faveur de progr`es exp´erimentaux et th´eoriques importants, pour ´etudier un domaine d’´energie peut-ˆetre `a jamais inaccessible `a la physique sur acc´el´erateurs. Le terme d’«astroparticules»est `a cet ´egard tr`es ´evocateur.
L’annonce d’une violation de la coupure GZK dans la partie extrˆeme du spectre d’´energie des rayons cosmiques ne pouvait pas manquer, dans ce contexte, de susciter l’int´erˆet de toute une communaut´e de physiciens occup´es par ailleurs `a explorer les li-mites du mod`ele standard de la physique des particules et `a lever toutes sortes de voiles sur ce que pourrait ˆetre la physique «au-del`a». L’association avec les cosmologistes est aussi naturelle, puisque l’univers primordial est l’ar`ene par excellence o`u la mati`ere et tous les champs ont pu explorer leurs ´etats de plus haute ´energie et de plus haute densit´e, mais aussi parce que c’est la cosmologie qui peut le mieux d´eterminer les condi-tions de production et le devenir cosmique des particules supermassives m´etastables ou des d´efauts topologiques qui seraient susceptibles de voir le jour dans les phases les plus recul´ees de l’´evolution de l’univers. C’est donc tout naturellement qu’ont ´emerg´e les fameux sc´enarios top-down dont nous avons d´ej`a parl´e, et qui avaient la vertu re-marquable d’offrir la possibilit´e d’une r´esolution simultan´ee – et pour ainsi dire sans effort – des trois probl`emes soulev´es par ces rayons cosmiques ultra-´energ´etiques. Le probl`eme de l’existence, d’abord, puisque nulle acc´el´eration n’est plus n´ecessaire, et que les particules supermassives invoqu´ees peuvent cr´eer les rayons cosmiques directement aux ´energies auxquelles on les observe. Le probl`eme de l’isotropie, ensuite, puisque l’ac-cumulation naturelle des particules supermassives dans le halo galactique dispense les champs magn´etiques de touteisotropisation, en distribuant les sources principales elles-mˆemes de fa¸con approximativement isotrope autour de la Terre. Notons au passage que le probl`eme de l’invisibilit´e des sources est aussi r´esolu de mani`ere radicale, puisque celles-ci se trouvent identifi´ees `a (au moins une partie de) ce qu’on a justement appel´e
«mati`ere noire»... Et enfin le probl`eme de la coupure GZK, puisque, les sources ´etant alors tout proches, l’interaction des rayons cosmiques ultra-´energ´etiques avec le CMB devient totalement n´egligeable.
H´elas ! les choses se sont av´er´ees un peu plus compliqu´ees, en partie pour des raisons physiques, car permettre la survie, depuis les ˆages premiers de l’univers, de particules supermassives de dur´ee de vie naturelle de l’ordre de ¯h/M c2 ∼10−37s×(M/1021eV), afin qu’elles se d´esint`egrentmaintenant, n’est assur´ement pas une chose ais´ee si on veut
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eviter les ajustements fins qui font toujours perdre beaucoup d’attrait aux solutions qui y recourent ; en partie encore pour des raisons cosmologiques, puisque les d´efauts topologiques, par exemple, qui pourraient r´esoudre le probl`eme du temps de vie, ont
1.3. PHYSIQUE ET ASTROPHYSIQUE `A TOUS LES ´ETAGES 27 tendance par d´efinition `a se situer `a des ´echelles de distance cosmologiques, et devraient donc ˆetre peu nombreux dans notre univers observable ; et en partie enfin pour des raisons astrophysiques, du fait notamment des contraintes impos´ees par l’astronomie gamma, dont nous avons d´ej`a parl´e.
Les mod`eles top-down, en d´epit de leur int´erˆet de principe ind´eniable, sont donc loin d’offrir la r´eponse ´evidente `a l’´enigme des rayons cosmiques ultra-´energ´etiques qu’on a cru pouvoir esp´erer. Mais ce que nous voudrions dire avec force ici, c’est que le probl`eme de la coupure GZK n’estpas le seul probl`eme pos´e par ces rayons cosmiques, et que la focalisation sur ce point sp´ecifique est probablement pr´ejudiciable `a la discipline, mˆeme s’il a contribu´e `a ´eveiller la curiosit´e d’un nombre plus grand de physiciens. Nous avons pris soin, ci-dessus, de commenter lestrois caract´eristiques majeures qui font de l’´etude des rayons cosmiques dans le domaine GZK l’une des priorit´es de la communaut´e des cosmiciens. Nous avons indiqu´e `a cette occasion que le probl`eme de l’isotropie nous pa-raissait particuli`erement important, et susceptible de livrer des informations capitales pour la compr´ehension globale du ph´enom`ene«rayons cosmiques». Mais il est un fait que la question qui vient imm´ediatement sur toutes les l`evres lorsqu’on se pr´esente `a une conf´erence en tant que membre de la Collaboration Auger, c’est celle-ci : «Alors, coupure ou pas coupure ?». `A vrai dire, nous n’en savons rien. Nous attendons sim-plement les donn´ees – pour quelques mois encore ou quelques ann´ees... Mais quelque importante que puisse ˆetre cette question – et nous en attendons bien sˆur la r´eponse avec la mˆeme impatience que chacun ! – nous voudrions attirer l’attention sur le fait que les deux atlernatives offriraient des perspectives extrˆemement riches pour la physique et/ou l’astrophysique.
Il est inutile de revenir trop longuement sur les implications d’une confirmation de la violation de la coupure GZK. Elle pourrait d´eboucher sur l’identification de particules ou de structures topologiques nouvelles, en lien avec la cosmologie, ou sur la caract´erisation d’une violation de la relativit´e restreinte, puisque pour repousser la coupure GZK `a plus haute ´energie, il suffirait que, lors du changement de r´ef´erentiel relativiste par lequel l’´energie d’un photon du CMB peut d´epasser le seuil de production d’un pion dans le r´ef´erentiel du proton consid´er´e, cette ´energie soit multipli´ee par un facteur en r´ealit´e plus faible que le facteur de Lorentz du proton. Toutes ces cons´equences fascinantes sur la physique fondamentale sont bien connues. Mais n’oublions pas qu’entre la d´etection
´eventuelle d’une violation de la coupure et les r´evolutions physiques qui pourraient en d´ecouler, il resterait encore `a franchir un pas difficile. Car la distinction entre les diff´erents mod`eles serait bien d´elicate, et l’origine physique de cette violation ne serait pas mˆeme garantie, puisque des mod`eles astrophysiques sans coupure existent bel et bien, et que la question de la vraisemblance restera toujours difficile `a trancher. Comment comparer les probabilit´esa priori d’un mod`ele invoquant des noyaux d’uranium de tr`es haute ´energie et d’un autre affirmant que la relativit´e restreinte est viol´ee pr´ecis´ement `a l’´energie o`u les plus grands observatoires de rayons cosmiques terriens ont ´et´e jusqu’`a pr´esent capables de mesurer un flux, et o`u la temp´erature actuelle du CMB porte le seuil de la photo-production de pions par des protons ?
Nul ne peut pr´esager de l’avenir, et il serait bien imprudent d’´emettre un quelconque pronostic sur la pr´esence ou non de la coupure GZK dans le spectre des rayons cosmiques, mais... Eh bien, soit ! Qu’`a cela ne tienne : soyons imprudents ! Je prends ici le risque de dire – et mˆeme d’´ecrire ! – quel est mon sentiment intime sur ce que r´ev´eleront les observations en cours et `a venir. D’abord parce que cela servira le propos que je veux d´evelopper ci-dessous. Et ensuite parce qu’il n’y a l`a en r´ealit´e aucun risque : non pas que je sois sˆur de mon affaire – loin s’en faut, et ce serait faire preuve, pour le coup, non pas d’imprudence, mais d’incomp´etence ! –, mais parce que si l’avenir me donne tort, eh
28 CHAPITRE 1. AUTO-PR ´ESENTATION DU RAYONNEMENT COSMIQUE bien, je me serai tromp´e, voil`a tout !
Mon sentiment, donc, c’est qu’on observera bel et bien une coupure GZK, mais que la question du rayonnement cosmique ultra-´energ´etique n’en sera nullement moins pas-sionnante. Tout d’abord, il s’agira l`a de la confirmation exp´erimentale ´eclatante d’une pr´ediction ´etablie il y a pr`es de 40 ans !10 Ensuite, parce qu’il reste toujours la question des sources, extrˆemement motivante... Ce d´efi lanc´e `a l’astrophysique des hautes ´energies demeurera tr`es stimulant et conduira `a mieux comprendre le fonctionnement interne et les caract´eristiques g´en´erales des sources ´energ´etiques de l’univers. Et puis, nous y avons insist´e, le probl`eme de l’isotropie appellera des d´eveloppements tr`es riches sur les liens r´eciproques entre rayons cosmiques et champs magn´etiques (nous y reviendrons au cha-pitre 4). Mais surtout, ayant ´etabli (si c’est bien le cas) l’existence d’une diminution drastique du flux vers 1020 eV, nous n’en serons pas quittes de la question de la cou-pure GZK. En effet, comme nous avons attach´e un grand soin `a le mettre en lumi`ere en diverses occasions, c’est `a tort qu’on parle g´en´eralement de la coupure GZK. Nous reviendrons sur ce point par la suite : parmi toutesles coupures GZK que pr´edisent les diff´erents sc´enarios astrophysiques, suivant la distribution des sources, l’intensit´e et la structure des champs magn´etiques, le spectre et la composition initiale des rayons cos-miques, et d’autres param`etres encore, tout l’enjeu pour les ann´ees `a venir, apr`es avoir d´etermin´es’il y aune coupure GZK, sera d’identifierlaquelle! Et cette ´etude fine, por-teuse d’informations astrophysiques inestimables pour la compr´ehension du ph´enom`ene et pour l’identification des sources, n´ecessitera des moyens observationnels sans doute plus d´evelopp´es encore que l’Observatoire Pierre Auger.
Au del`a de la forme et de la position pr´ecise de la coupure GZK, il y a ´egalement la question de la «reprise de flux»(recovery, en anglais), que l’on attend `a plus haute
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energie. Car si le CMB r´eduit l’horizon des particules ultra-relativistes `a quelques di-zaines de Mpc, il n’empˆeche pas de voir les sources qui pourraient se trouver dans ce rayon. La nature stochastique et hautement in´elastique (∆E/E∼20%) des interactions entre rayons cosmiques et photons du CMB est ici d´eterminante. Elle permet `a certaines particules, mˆeme si l’´echelle de distance moyenne de leur horizon est de 20 Mpc, par exemple, de nous parvenir depuis des distances disons quatre ou cinq fois sup´erieures.
On en d´etectera certes une fraction faible, mais pas nulle, et cette partie du spectre« au-del`a de la coupure» contiendra pr´ecis´ement des informations capitales sur les sources les plus proches et leurs propri´et´es. En particulier, on peut s’interroger sur la limite en
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energie des rayons cosmiques `a leur source. Est-elle par co¨ıncidence voisine de l’´energie o`u le m´ecanisme GZK pr´edit justement cette coupure ? Absolument rien ne l’exige, si ce n’est la difficult´e d´ej`a rencontr´ee pour acc´el´erer des particules jusqu’`a 1020 eV. Mais peut-ˆetre les sources que nous finirons bien par identifier seront-elles capables, puis-qu’elles ne pr´esenterons donc pas les limitations qu’on leur suppose, de produire des rayons cosmiques d’´energie encore dix fois sup´erieure ?
On l’aura compris, l’astrophysique des rayons cosmiques ultra-´energ´etiques reste am-plement ouverte, mˆeme en pr´esence d’une coupure GZK, et probablement mˆemesurtout en sa pr´esence. Sans compter que la meilleure compr´ehension de leur nature et de leur ori-gine qui d´ecoulerait de la mesure et de l’´etude de cette coupure ouvrirait la voie `a l’utili-sation des rayons cosmiques comme de v´eritables outils scientifiques, int´egr´es aux moyens d’exploration traditionnels de l’univers de haute ´energie, notamment comme messagers nouveaux d’une astronomie proton naissante, ou comme sondes `a champ magn´etique de tr`es grande ´echelle (cf. chapitre 4).
Enfin, l’int´erˆet mˆeme strictement physique des rayons cosmiques ultra-´energ´etiques
10Je n’´etais mˆeme pas n´e ! ;-)
1.3. PHYSIQUE ET ASTROPHYSIQUE `A TOUS LES ´ETAGES 29 ne prendra pas fin avec la d´etection de la coupure GZK. Les mod`eles d’inspiration cosmo-logiques resteront admissibles, d`es l’instant qu’ils ne n´ecessiteront pas une contribution dominante de sources accumul´ees dans le halo de notre galaxie. Cela pourrait mˆeme ˆetre une bonne nouvelle pour certains d’entre eux. Il y a d’ailleurs quelque int´erˆet `a ouvrir l’espace de g´en´eration possible de ces rayons cosmiques : en rejetant les sources dans le lointain de l’univers, on peut invoquer des ph´enom`enes plus spectaculaires ou plus fondamentaux, sans avoir `a consid´erer n´ecessairement l’absence de contreparties astro-nomiques comme une difficult´e s´erieuse. La probl`eme principal pour ces mod`eles ´etait la pr´ediction d’une coupure GZK particuli`erement accentu´ee – sauf en cas de violation de la relativit´e ou de recours `a des neutrinos comme interm´ediaires de propagation (mod`eles Z-burst, etc.). La d´etection de ladite coupure, surtout si elle est tr`es brutale, changerait donc bien ´evidemment la donne.
Enfin, coupure ou pas, sources astrophysiques ou non, il est un domaine o`u l’´etude des rayons cosmiques ultra-´energ´etiques profitera `a coup sˆur `a la physique des parti-cules : c’est celui des mod`eles hadroniques `a tr`es haute ´energie. Nous avons d´ej`a men-tionn´e leur usage syst´ematique pour la mod´elisation du d´eveloppement des gerbes at-mosph´eriques et donc pour l’analyse de toutes les donn´ees concernant les rayons cos-miques au-del`a de ∼1015 eV. Nous avons fait ´etat, `a cette occasion, des incoh´erences relev´ees par l’exp´erience KASCADE dans son ´etude des gerbes dans la r´egion du genou.
Plus g´en´eralement, il y a beaucoup `a attendre de la comparaison des donn´ees de fluores-cence et des donn´ees des d´etecteurs au sol de l’Observatoire Pierre Auger. Par la mesure pr´ecise des propri´et´es des mˆemes gerbes sous diff´erents aspects, et par la comparaison des gerbes observ´ees sous des angles z´enithaux multiples, cette observatoire permettra d’´etablir une distinction pr´ecieuse entre la composante ´electromagn´etique des gerbes, sur-tout visible au sein des gerbes verticales, et leur composante hadronique, seule persistante au sein des gerbes horizontales. Les premi`eres donn´ees recueillies donnent d´ej`a quelques pistes sur la mani`ere dont il faudrait modifier les mod`eles hadroniques pour mieux rendre compte des observations, et il n’est pas anecdotique qu’une certaine coh´erence puisse se d´egager avec les donn´ees de KASCADE. Avec les informations bientˆot disponibles aux ´energies interm´ediaires ´etudi´ees par KASCADE Grande, c’est la possibilit´e d’une
´etude coh´erente des caract´eristiques intrins`eques des gerbes (ind´ependamment du flux de rayons cosmiques) sur plusieurs ordres de grandeur en ´energie qui se laisse entrevoir.
Nous ne pouvons malheureusement pas d´evelopper ici ces aspects tr`es pr´eliminaires, qui par un saisissant retour de l’histoire rendraient aux rayons cosmiques leur statut si particulier de faisceaux ´energ´etiques envoy´es par la Nature pour nous enseigner la physique, mais nous sommes convaincus qu’ils conduiront dans les prochaines ann´ees `a des r´esultats significatifs pour la physique des hautes ´energies – surtout si les donn´ees d´eduites de l’´etude des gerbes trouvent quelque compl´ementarit´e dans celles recueillies parall`element aupr`es du LHC. Cette perspective, ´eminemment int´eressante pour le do-maine des astroparticules, est l’une de celles qui devront b´en´eficier de la plus grande attention dans les ann´ees `a venir.
Mais pour revenir `a l’astrophysique et clore ce libre commentaire sur la situation exp´erimentale et strat´egique relative aux rayons cosmiques ultra-´energ´etiques, nous vou-drions encore souligner que, dans l’´etat actuel des choses, c’est le probl`eme de l’isotropie, et non celui de la coupure GZK, qui nous paraˆıt le plus riche. Quelle que soit la fa¸con dont il sera r´esolu, il y a fort `a parier que l’isotropie se r´ev´elera finalement imparfaite.
Des structures angulaires se cachent probablement sous la distribution de nos rayons cosmiques, attendant simplement des donn´ees plus nombreuses pour se manifester. Car on con¸coit mal des champs magn´etiques suffisamment forts ou des sources r´eparties de mani`ere suffisamment isotrope dans le ciel pour qu’il n’y ait vraiment rien `a tirer des
30 CHAPITRE 1. AUTO-PR ´ESENTATION DU RAYONNEMENT COSMIQUE recherches d’anisotropies autour de 1020eV. Tout porte `a croire, au contraire, que l’as-tronomie proton dont nous avons soulign´e plus haut l’importance soit `a port´ee de nos instruments. Dans le cas de sources (exotiques ou non) situ´ees dans le halo de notre
30 CHAPITRE 1. AUTO-PR ´ESENTATION DU RAYONNEMENT COSMIQUE recherches d’anisotropies autour de 1020eV. Tout porte `a croire, au contraire, que l’as-tronomie proton dont nous avons soulign´e plus haut l’importance soit `a port´ee de nos instruments. Dans le cas de sources (exotiques ou non) situ´ees dans le halo de notre