Le CERN recrée pour la première fois des averses de rayons cosmiques en laboratoire

Des physiciens travaillant avec le Grand collisionneur de hadrons du CERN ont produit les premières mesures en laboratoire de collisions de rayons cosmiques avec des gaz atmosphériques, offrant une nouvelle fenêtre sur les averses de particules qui bombardent constamment la Terre. Les résultats, publiés dans Physical Review Letters, sont d'un ordre de grandeur plus précis que les modèles informatiques existants et pourraient remodeler la façon dont les scientifiques étudient les événements de plus haute énergie dans l'univers.journals.aps+1

Recréer des tempêtes cosmiques en laboratoire

Le 1er juillet 2025, des scientifiques du CERN ont introduit pour la première fois des faisceaux d'oxygène dans le Grand collisionneur de hadrons et les ont fait entrer en collision avec des protons à une énergie dans le centre de masse de 9,62 TeV. Le faisceau de protons a servi de substitut aux rayons cosmiques, des noyaux se déplaçant rapidement, principalement de l'hydrogène, qui traversent l'univers depuis des étoiles en explosion et des trous noirs supermassifs, tandis que le faisceau d'oxygène représentait l'atmosphère terrestre. Les collisions ont recréé les premiers instants de ce que les chercheurs appellent des "tempêtes cosmiques", les cascades de particules déclenchées lorsque les rayons cosmiques frappent des atomes atmosphériques.phys+1

L'expérience ATLAS, un détecteur de la taille d'un terrain de football doté de milliers de scientifiques, a capturé des millions d'images en gros plan des jets de particules résultants à l'aide d'une caméra de 100 millions de pixels capable d'enregistrer jusqu'à 40 millions de collisions par seconde. Les chercheurs ont analysé 246 millions d'événements sélectionnés pour mesurer le nombre, les énergies et les angles des particules produites, atteignant une précision plus de dix fois supérieure aux différences entre les modèles d'interaction hadronique concurrents.arxiv+1

Relier la physique des particules et l'astrophysique

L'étude a été dirigée par le physicien Jesse Liu, désormais à l'Université de New York, qui a passé des années à collaborer avec la physicienne Lydia Beresford pour justifier la reconfiguration des instruments existants du CERN afin d'étudier les rayons cosmiques. Selon un communiqué de presse de NYU, les résultats "aident à déchiffrer les origines des particules interstellaires venant du cosmos" et représentent les premières mesures de tempêtes cosmiques recréées dans des conditions de laboratoire contrôlées.phys+1

Les mesures incluent une section efficace fiducielle proton-oxygène et une section efficace inélastique proton-air extrapolée, des données qui aideront les scientifiques à déterminer la composition des rayons cosmiques de haute énergie, en particulier, combien sont des noyaux d'hydrogène par rapport aux atomes plus lourds. Comprendre cette composition pourrait fournir des indices sur l'origine des rayons cosmiques et sur la façon dont ils atteignent des énergies extrêmes, des questions qui persistent depuis que Victor Hess a découvert les rayons cosmiques depuis une montgolfière il y a plus d'un siècle.arxiv+1

Et maintenant

L'étude renouvelle les liens entre la physique des particules et l'astrophysique des hautes énergies, deux domaines ayant une histoire commune mais une collaboration limitée. Comme l'a noté ATLAS dans un briefing officiel, les résultats "établissent une nouvelle façon d'utiliser le LHC comme laboratoire de rayons cosmiques, ouvrant la voie à des études expérimentales détaillées des interactions proton-oxygène". Ces modèles améliorés seront précieux pour les observatoires de rayons cosmiques à grande échelle comme le projet Telescope Array dans l'Utah, qui s'appuient actuellement sur des simulations qui ne sont pas d'accord entre elles pour interpréter les données des particules de plus haute énergie arrivant du cosmos.atlas-public.cern+1