En utilisant les observations du RAISINS-3 détecteur de muons, des physiciens indiens et japonais ont exploré une région mal comprise du spectre énergétique des rayons cosmiques avec des détails sans précédent. Fahim Varsi au Institut indien de technologie de Kanpur et ses collègues ont identifié une caractéristique inédite sous la forme d’un pli dans le spectre. Les observations suggèrent la nécessité de repenser les origines des rayons cosmiques.
Composés principalement de protons et de noyaux d'hélium, les rayons cosmiques sont des particules hautement énergétiques qui bombardent en permanence l'atmosphère terrestre. Lorsqu’ils interagissent avec l’atmosphère, les rayons cosmiques produisent des pluies de particules secondaires, notamment des électrons, des photons et des muons, qui pleuvent sur Terre.
Les rayons cosmiques ont été identifiés pour la première fois en 1912, lors d'observations réalisées par Victor Hess, lauréat du prix Nobel. Pourtant, même plus d’un siècle après leur détection initiale, il nous reste encore beaucoup à apprendre sur la nature de ces particules. Même si les astronomes pensent que les rayons cosmiques proviennent d’un certain nombre de sources différentes, notamment les étoiles, les supernovae et les noyaux galactiques actifs, leurs origines ne sont pas entièrement comprises car les particules sont déviées par les champs magnétiques lorsqu’elles parcourent de grandes distances jusqu’à la Terre.
Mesures précises requises
"Les rayons cosmiques sont connus pour être les particules les plus énergétiques de l'univers", déclare un membre de l'équipe Pravata Mohanty à l'Institut Tata pour la recherche fondamentale à Mumbai. "Une mesure précise de la forme du spectre d'énergie élémentaire dans les rayons cosmiques est nécessaire pour faire progresser notre compréhension de leurs origines, de leur accélération et de leur propagation."
Une lacune particulièrement flagrante dans la compréhension se situe au milieu du spectre des rayons cosmiques à des énergies comprises entre 100 TeV et 1 PeV. Dans cette fenêtre, les particules sont trop énergétiques pour être captées directement par des détecteurs spatiaux, mais pas assez énergétiques pour qu’un grand nombre de particules de gerbe atteignent les détecteurs sur Terre.
Pour explorer cette gamme d'énergie plus en détail, l'équipe de Varsi a examiné les observations de l'expérience GRAPES-3. Il s'agit d'un observatoire de muons situé dans le sud de l'Inde et comprenant un ensemble de détecteurs scintillants. L'installation est située à 2200 XNUMX m d'altitude, ce qui facilite la détection des muons avant qu'ils n'interagissent avec l'atmosphère.
"GRAPES-3 contient un détecteur à grande surface, nous permettant de mesurer la composition élémentaire des rayons cosmiques à travers le composant muon dans les gerbes de rayons cosmiques", explique Mohanty. "Avec une zone de détection plusieurs milliers de fois plus grande que celle des détecteurs spatiaux, GRAPES-3 garantit une précision statistique exceptionnellement élevée dans les mesures."
Étude de quatre ans
Les chercheurs ont évalué environ 8 millions d’averses observées sur une période de 460 jours en 2014 et 2015. En raison de la complexité de leurs techniques d’analyse et de correction d’erreurs, l’analyse a duré quatre ans. L’équipe affirme que ses résultats fournissent la première vue détaillée de la fenêtre d’énergie moyenne.
"L'étude a mesuré le spectre des protons dans les rayons cosmiques de 50 TeV à 1.3 PeV, reliant efficacement les observations provenant de mesures spatiales et au sol", décrit Mohanty.
Parmi les caractéristiques les plus frappantes repérées par l'équipe de Varsi figurait une distorsion dans le spectre énergétique à environ 166 TeV, avec plus de protons cosmiques que prévu détectés à des énergies légèrement plus élevées. Auparavant, des expériences au sol avaient détecté une courbe similaire à environ 3 PeV, ce qui était considéré comme l'énergie maximale des rayons cosmiques provenant des galaxies.
Jusqu’à présent, les chercheurs pensaient généralement que le spectre énergétique des protons dans la région observée pouvait être décrit par une simple loi de puissance. Cependant, la découverte de l’équipe semble briser cette hypothèse.
"Cela suggère la possibilité qu'une classe de sources, communément considérée comme des restes de supernova, puisse effectivement accélérer les rayons cosmiques jusqu'au coude observé, tandis qu'une autre classe devient prédominante au-delà du coude", explique Mohanty.
En s'appuyant sur ces résultats, l'équipe de Varsi espère que de nouveaux modèles pourraient bientôt émerger pour tenir compte de ces effets. S’ils sont atteints, ils pourraient contribuer à renforcer notre compréhension de la manière dont les rayons cosmiques émergent, accélèrent et se propagent sur les distances intergalactiques.
La recherche est décrite dans Physical Review Letters.
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- La source: https://physicsworld.com/a/kink-in-cosmic-ray-spectrum-puzzles-astrophysicists/
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