ATLAS utilise des collisions proton-oxygène pour recréer en laboratoire des gerbes de rayons cosmiques

Le LHC s’attaque à un problème venu du ciel

Les rayons cosmiques frappent en permanence l’atmosphère terrestre, déclenchant des cascades de particules secondaires qui se dispersent dans le ciel et traversent les détecteurs au sol. Ces gerbes constituent une source essentielle d’informations sur certaines des particules les plus énergétiques de l’univers, mais elles sont difficiles à interpréter car la physique de la collision sous-jacente est ardue à modéliser avec précision. Désormais, la collaboration ATLAS affirme que sa première mesure de collisions proton-oxygène au Grand collisionneur de hadrons pourrait contribuer à combler cette lacune.

Le nouveau résultat provient d’un mode que le LHC a exécuté pour la première fois en juillet 2025, lorsqu’il a fait entrer en collision des faisceaux de protons avec des faisceaux d’ions d’oxygène. Dans ce dispositif, le faisceau de protons joue le rôle d’un rayon cosmique, tandis que le faisceau d’oxygène représente une partie de l’atmosphère terrestre, composée principalement d’azote et d’oxygène. L’expérience constitue ainsi une manière contrôlée de recréer l’une des interactions fondamentales à l’origine des gerbes de particules atmosphériques.

Pourquoi les données sur les rayons cosmiques sont si difficiles à décoder

Les observatoires modernes de rayons cosmiques infèrent la nature des particules entrantes en détectant les gerbes qu’elles produisent lorsqu’elles frappent l’atmosphère. Mais ces schémas de gerbes dépendent de l’interaction forte, l’une des interactions fondamentales de la nature et une interaction notoirement difficile à modéliser dans les environnements à haute énergie et à nombreuses particules pertinents pour les rayons cosmiques.

Comme le souligne le CERN, les simulations actuelles ne concordent pas entre elles. Ce désaccord limite ce que les astrophysiciens peuvent conclure avec confiance à partir des mesures au sol. Si le cadre de simulation est biaisé, alors les inférences sur l’énergie, la composition ou l’origine des rayons cosmiques peuvent elles aussi être déformées.

C’est là que les données de collisionneur deviennent utiles. Une collision en laboratoire ne reproduit pas toutes les caractéristiques d’un événement naturel de rayons cosmiques, mais elle peut fournir des mesures directes de la production de particules dans des conditions mieux contrôlées. Ces mesures peuvent ensuite servir à tester et à ajuster les outils de simulation dont dépendent les observatoires.

Ce qu’ATLAS a réellement mesuré

Selon le préprint de la collaboration, les physiciens ont analysé les collisions proton-oxygène en suivant les particules chargées électriquement produites dans les interactions. Ils ont mesuré la fréquence de production de ces particules, leur nombre, ainsi que les énergies et les angles sous lesquels elles ont émergé de la région de collision.

Ce type d’information est précisément ce dont les modèles de gerbes ont besoin. Les premières étapes d’une cascade de rayons cosmiques sont déterminées par la façon dont une particule incidente de haute énergie transfère son énergie à une pluie de particules secondaires. Des différences de multiplicité, d’étalement angulaire et de distribution d’énergie peuvent se propager dans toute la gerbe simulée.

ATLAS a ensuite comparé les distributions de particules chargées mesurées aux prédictions de plusieurs simulations couramment utilisées pour interpréter les données des observatoires de rayons cosmiques. L’objectif n’était pas seulement de publier une première mesure, mais aussi d’identifier où les modèles concordent et où ils échouent.

Un collisionneur devient laboratoire de rayons cosmiques

La force inhabituelle du résultat est conceptuelle. Le LHC est généralement associé à des questions de physique des particules fondamentales, comme le boson de Higgs ou la recherche de nouvelles particules. Ici, ATLAS joue un autre rôle: celui de laboratoire d’étalonnage pour l’astrophysique. Il recrée, dans un environnement plus propre, une classe de collisions qui se produit naturellement à des dizaines de kilomètres au-dessus de la Terre.

Ce pont entre physique des particules et science des rayons cosmiques est particulièrement précieux, car les mesures directes des rayons cosmiques primaires aux énergies les plus élevées sont rares et difficiles. En améliorant les modèles utilisés pour interpréter les gerbes atmosphériques, les données de collisionneur peuvent indirectement affiner les conclusions tirées par les observatoires qui suivent ces gerbes.

Le travail souligne aussi un point pratique sur l’atmosphère elle-même. L’oxygène est un composant majeur de l’air, de sorte que les données proton-oxygène sont plus directement pertinentes pour les interactions des rayons cosmiques que de nombreux jeux de données standard proton-proton. Cela fait de cette mesure une entrée ciblée plutôt qu’une entrée générique.

Ce qui change ensuite

Le résultat actuel repose sur la première campagne de collisions proton-oxygène et est décrit dans un article publié sur arXiv, il s’agit donc d’une étape initiale et non d’une réponse finale. Mais il établit un nouveau jeu de données qui pourra servir à comparer et à améliorer les modèles d’interaction hadronique au cœur de la recherche sur les rayons cosmiques.

De meilleurs modèles devraient, à terme, permettre de mieux reconstituer ce que sont les rayons cosmiques et d’où ils viennent. C’est là le bénéfice scientifique à long terme. Si les observatoires peuvent davantage faire confiance à leurs simulations de gerbes, les divergences d’interprétation porteront moins sur la modélisation elle-même que sur l’astrophysique des sources.

ATLAS n’a pas résolu le puzzle des rayons cosmiques d’un seul coup. Il a cependant fourni un nouveau point d’appui expérimental à l’une de ses incertitudes les plus tenaces. En mesurant directement des collisions proton-oxygène, la collaboration a transformé un collisionneur de particules en outil pour comprendre des phénomènes qui commencent bien au-dessus de la planète et se terminent, chaque seconde, dans l’air qui nous entoure.

Cet article s’appuie sur un reportage de Phys.org. Lire l’article original.