Un siècle après leur découverte, les rayons cosmiques – ces particules d’une énergie extrême provenant des confins de l'univers – demeurent un mystère pour les scientifiques. Le télescope spatial DAMPE (Dark Matter Particle Explorer) s'attaque à ce phénomène, en explorant particulièrement le rôle que pourrait jouer la matière noire dans leur formation. Cette mission internationale, qui inclut l’Université de Genève (UNIGE), fait aujourd’hui une avancée majeure en mettant en évidence une caractéristique universelle de ces rayons. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature.
Les rayons cosmiques sont les particules les plus énergétiques observées dans l'univers, surpassant de loin l'énergie des particules produites par les accélérateurs artificiels sur Terre. Leur origine exacte est toujours étudiée et l’on pense qu’ils proviennent de phénomènes astrophysiques extrêmes, comme les supernovae, les jets de trous noirs ou les pulsars.
Le télescope spatial DAMPE, lancé en décembre 2015, doit apporter des réponses sur l'origine et la nature des rayons cosmiques. Cette mission spatiale, dont le groupe de physique des astroparticules du Département de physique nucléaire et corpusculaire (DPNC) de l’UNIGE est l’un des principaux contributeurs, rapporte aujourd’hui une avancée cruciale. Grâce à l’analyse des mesures de haute précision collectées par le télescope, les scientifiques ont réussi à mettre en évidence une caractéristique universelle dans les spectres en énergie des noyaux de rayons cosmiques primaires, depuis les protons jusqu’au fer.
«Les rayons cosmiques sont principalement composés de protons mais aussi de noyaux d'hélium, de carbone, d’oxygène et de fer», explique Andrii Tykhonov, professeur associé au Département de physique nucléaire et corpusculaire de la Section de physique de la Faculté des sciences de l’UNIGE, coauteur de l’étude. «Ces rayons sont également répartis selon leur énergie: basse, jusqu’à quelques milliards d’électron-volts; intermédiaire, de quelques milliards à plusieurs centaines de milliards d’électrons-volts; et haute, de 1 000 milliards d'électron-volts et au-delà.»
Une nouvelle caractéristique commune
Les résultats montrent que, pour tous les noyaux étudiés, le nombre de particules diminue de plus en plus rapidement au-delà d’une certaine valeur. Ce phénomène est appelé «adoucissement spectral ». En temps normal, le nombre de particules diminue déjà à mesure que l’énergie augmente mais, ici, cette diminution devient encore plus marquée. Elle se produit autour d’une rigidité d’environ 15 TV (téravolts). La rigidité d'une particule mesure la résistance de sa trajectoire face à un champ magnétique. L'observation d’une structure commune à cette rigidité soutient fortement les modèles qui expliquent que l'accélération et le transport des rayons cosmiques dépendent de la rigidité des particules. En revanche, les modèles alternatifs, qui suggèrent que l’énergie par nucléon (l’énergie divisée par le nombre de nucléons dans la particule) serait un facteur clé, sont fortement invalidés par ces mesures, avec une certitude de 99,999 %.
L’équipe genevoise a joué un rôle central dans cette avancée scientifique. Elle a notamment développé des techniques avancées d’intelligence artificielle pour la reconstruction des événements détectés et contribué à des mesures clés des flux de protons et d’hélium, ainsi qu’à l’analyse du carbone. Le groupe a également dirigé le développement de l’un des sous-détecteurs majeurs de DAMPE, le Silicon-Tungsten Tracker (STK), un instrument essentiel pour la reconstruction précise des trajectoires des particules et la mesure de leur charge.
Ces résultats constituent une étape importante vers une compréhension plus complète de l’origine des rayons cosmiques et des mécanismes qui régissent leur propagation dans la Galaxie. Ils apportent de nouvelles contraintes expérimentales sur les modèles d’accélération dans les sources astrophysiques et sur le transport des particules dans le milieu interstellaire, ouvrant ainsi la voie à une description plus précise des populations de particules de haute énergie.