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Gerbes Cosmiques

Le développement de gerbes de particules dans la haute atmosphère

Les gerbes de particules qui prennent naissance dans la haute atmosphère, sont dues à l’arrivée de particules de très grande énergie en provenance de sources extrêmement  lointaines. Arrivant dans la haute atmosphère, ces particules cosmiques de haute énergie interagissent avec les molécules de gaz qu’elles rencontrent. Ce faisant, elles sont à l’origine de gerbes de particules secondaires dont certaines atteindront la surface de la terre. Selon la nature de la particule cosmique, les gerbes sont de deux types.

 

Gerbes électromagnétiques et hadroniques.
Les gerbes électromagnétiques – à gauche – proviennent de l’interaction dans la haute atmosphère d’une particule primaire de nature électromagnétique : gamma, électron, positron. Dans le cas des gerbes hadroniques – à droite- la particule primaire est un proton, une particule alpha ou un noyau atomique. Les deux types de gerbes se distinguent par leur forme.
© IN2P3 ©

Gerbes électromagnétiques

La particule cosmique responsable de la gerbe est généralement un rayon gamma  dont la très haute énergie est sans commune mesure avec celle des gamma de la radioactivité. La particule peut être plus rarement un électron cosmique. Dans le cas d’un gamma, sa direction pointe vers la source d’où il a été produit, ce qui permettra d’identifier cette source.

Le gamma primaire interagit avec un atome de la haute atmosphère  en produisant  une paire électron-positron. Puis, ces électrons et positrons perdent leur énergie en émettant des photons encore d’énergie élevée. Ceux-ci vont à leur tour se convertir et ainsi de suite, générant de la sorte une cascade de particules. Le processus s’arrête lorsque l’énergie des photons secondaires descend au-dessous du seuil de photo-production de matière. La perte d’énergie des électrons n’est plus dominée alors par le rayonnement émis mais par des processus d’ionisation. A cet stade le développement de la gerbe de particules, dite cascade électromagnétique, s’épuise et disparait.

La forme d’une gerbe électromagnétique est celle d’un cône pointu. Sa direction est proche  de celle du gamma primaire, ce qui permet de remonter à la direction de la source.

Le spectre en énergie des photons gamma secondaires est étroitement corrélé à celui des particules primaires. Leur étude est une façon détournée pour comprendre les mécanismes d’accélération des particules chargées qui peuplent le rayonnement cosmique.

Gerbes électromagnétique et gerbe hadronique
Vue d’artiste des deux types de gerbes pointant vers le même point du ciel.
© Cosmic rays – 100 years of discovery ©

Gerbes hadroniques

Dans ce cas, les particules cosmiques responsables des gerbe ne sont plus de nature électromagnétique (photon,électron, positron) mais des particules nucléaires appelées hadrons (nucléons,  mésons,  particules alpha, noyaux). Les hadrons quant à eux interagissent par interaction nucléaire forte avec les noyaux des atomes de l’atmosphère. Ces réactions produisent des particules secondaires essentiellement constituées de nouveaux hadrons. Ceux-ci se propagent en direction du sol et interagiront à leur tour, dans l’atmosphère et ainsi de suite. Parmi les particules secondaires, des particules instables sont produites tels que les mésons pions ou kaons qui se désintègrent en vol. Les désintégrations des pions neutres (pi0) produisent une paire de gamma. S’ils ont une énergie suffisante, ces rayons gamma produiront, à leur tour, des cascades électromagnétiques au sein de la cascade hadronique. De nombreux muons et électrons sont également produits par la désintégration des kaons ou des pions chargés. Les muons les plus énergiques atteindront le sol et pourront même pénétrer dans la terre. Dans ces mêmes processus sont produits les neutrinos atmosphériques que détectent les grands détecteurs souterrains.

Les gerbes hadroniques sont beaucoup plus étalées  que les gerbes électromagnétiques.

SUITE : Sources de gamma de hautes énergies