Des particules gavées d'énergie qui excitent les chercheurs

Lors du vote proposé à la fin de mon dernier article, 21% d'entre vous ont choisi le thème des particules à haute énergie. Obéissant à vos désirs, je m'étends aujourd'hui sur le sujet.

Toute la matière connue de l'univers est composée de particules. Ce terme un peu fourre-tout désigne en réalité un vaste ensemble d'objets minuscules mais dont les tailles, les propriétés et les quantités dans l'univers sont très variables.

Selon les théories actuelles, chaque particule peut ainsi être décrite par sa masse, sa charge électrique (positive ou négative), éventuellement son diamètre si on est suffisamment intime avec elle, l'énergie qu'elle porte, le nombre de millions ou de milliards de tonnes de ce type qu'on peut trouver dans l'univers, etc.

Parmi les plus célèbres particules, vous connaissez peut-être le photon, qui véhicule la lumière, porteur d'un peu d'énergie mais dont la masse est absolument nulle. Vous connaissez, c'est sûr, les électrons, protons et neutrons qui portent également de l'énergie mais aussi un chouïa de matière.

D'ailleurs, une fois assemblés dans des proportions adéquates, ils forment tous les atomes qui composent la Terre, le Soleil, mais aussi l'oeil grâce auquel vous lisez ce texte et la chaise sur laquelle votre séant est posé.

Des quantités d'énergie qui défient l'imagination

Pour quantifier l'énergie d'une particule, on utilise une unité appelée « électron-volt » (eV) sous l'excellent prétexte qu'elle correspond à l'énergie portée par un électron lorsqu'il est soumis à une tension de un volt. Le photon, par exemple, porte une énergie de 2 eV. Les électrons qui forment l'image de votre écran de télé sont porteurs d'une énergie d'environ 50 000 eV.

Quant aux meilleurs accélérateurs de particules, construits dans les grands laboratoires de recherche, ils permettent de grimper à des énergies de l'ordre de 1012 eV (un 1 suivi de 12 zéros, soit mille milliards d'eV). Avec une telle charge énergétique, les physiciens éprouvent quelques soucis à tenir leurs particules en laisse…

Jusque dans les années 90, on pensait qu'aucune particule de l'univers ne pouvait dépasser les 1019 à 10 20 eV, soit déjà 100 millions de fois mieux que l'énergie atteinte dans les accélérateurs. Mais une série d'événements incongrus balaya cette idée : en octobre 1991, un détecteur américain identifiait une particule dépassant officiellement les 1020 eV, ce qui était théoriquement impossible ! Deux ans plus tard, une équipe de physiciens japonais remettait le couvert en détectant une nouvelle particule porteuse d'une énergie colossale. Car au-delà de 1020 eV, franchement, une particule décoiffe à un point qui défie l'imaginable.

Comment détecter ces minuscules bombes volantes ?

Les hommes ont donc relevé le défi imposé par la nature et se sont lancés dans une nouvelle conquête : celle des particules à « très haute énergie », expression qualifiant ces petites bombes qui osent dépasser les 1020 eV. Ils eurent vite fait de les identifier : ce sont souvent de simples électrons ou protons, parfois des objets un peu plus gros.

Mais le vrai problème est ailleurs. Car pour être chargés d'une telle énergie, ces particules sont forcément produites par des objets célestes d'une puissance gigantesque. Oui mais voilà : lesquels ? Pour répondre à cette question, les chercheurs suivent une stratégie en deux étapes. D'abord, trouver de ces petites bombes en nombre suffisant ; puis remonter leur trajectoire dans l'univers jusqu'à repérer leur point de départ. Or, des particules à très haute énergie, il n'en tombe pas tous les jours.

Certes, chaque mètre carré de notre planète est bombardé chaque seconde par environ 200 particules de 106 eV, mais cette dose d'énergie un peu faiblarde est aussi fascinante qu'un éternuement de phoque dans l'océan Arctique. En revanche, il ne tombe qu'une particule à très grande énergie par siècle et par kilomètre carré ! On recommande à ceux qui veulent les attendre de prévoir une solide réserve de café.

Avec une si faible fréquence d'apparition, un détecteur placé sur Terre ne peut pas être touché par un nombre de particules suffisamment grand pour qu'une étude sérieuse soit possible. En revanche, les physiciens peuvent observer l'atmosphère toute entière et y détecter des collisions entre une de ces bombes intergalactiques et les molécules qui composent l'air.

Ce genre de choc déclenche une explosion de particules fortement chargées en énergie, qui entrent à leur tour en collision avec d'autres molécules, etc. Au final, la réaction en chaîne provoque ce que les physiciens, grands poètes, nomment une « douche d'air », c'est-à-dire une grande gerbe de particules observable depuis la terre ferme.

Et tenez-vous bien, c'est là que la science est merveilleuse : en étudiant les énergies et les trajectoires des particules de la douche d'air, les chercheurs peuvent retrouver la trajectoire, l'énergie et même l'origine de la première particule, celle qui a déclenché tout le bastringue.

Un observatoire à cheval entre deux hémisphères

Afin d'observer les douches d'air, il a fallu mettre les petits télescopes dans les grands. On a construit pour l'occasion un tout nouvel observatoire, nommé Pierre-Auger en l'honneur de ce physicien français qui a notamment travaillé sur les rayonnements cosmiques.

L'Observatoire est constitué de deux immenses centres, situés l'un dans l'hémisphère sud (en Argentine) et l'autre dans l'hémisphère nord (dans le Colorado, encore en construction) afin qu'ensemble ils puissent observer tout le ciel. Pour vous donner une idée de la taille de ces observatoires, le centre argentin couvre une surface au sol de 3 000 kilomètres carrés, rien de moins que dix fois la superficie de Paris. Et le centre américain sera encore plus grand…

Après quatre ans d'observation, l'équipe argentine a détecté plusieurs dizaines de collisions entre des particules à très haute énergie et l'atmosphère. Une étude couronnée de succès puisque les premiers résultats ont fait l'objet d'un article dans le magazine Science du 9 novembre.

Dans cet article, les chercheurs expliquent qu'ils ont peut-être identifié le lieu de naissance des particules : leurs points de départ semblent correspondre avec la localisation supposés des trous noirs « supermassifs ».

Lieu de naissance supposé : les trous noirs

Un trou noir est un objet céleste aux propriétés assez incroyables : sa force de gravité est d'une telle puissance qu'il attire à lui tout ce qui a le malheur de lui frotter les oreilles d'un peu trop près. Matière, poussières, gaz, et même la lumière ! Tout ce qui approche un trou noir disparaît, happé par la grande gueule de la bête, et comme la lumière fait partie de ses proies, un trou noir est par conséquent inobservable directement.

On pense qu'un trou noir se forme lorsqu'une grosse étoile meurt et s'effondre sur son propre centre, comme un soufflé qui retombe après avoir donné le meilleur de lui-même. Il existe plusieurs tailles de trous noirs, selon la taille de l'étoile dont ils sont la relique.

Les plus gros, appelés supermassifs, se trouveraient au centre de certaines galaxies dont ils forment des « noyaux actifs ». Et ils sont actifs, en effet : après avoir avalé des milliards de tonnes de matière et de lumière, ces trous noirs finiraient par rejeter de l'énergie par bouffées gigantesques, comme un organisme qui éructe un grand coup après avoir fini son dîner.

Les trous noirs supermassifs étant capables d'avaler puis de rejeter les plus colossales quantités d'énergie qui existent dans l'univers, ils sont de bons candidats comme source des particules détectées sur Terre.

C'est ce que tendent à confirmer les observations réalisées en Argentine. Mais les auteurs de l'article admettent eux-mêmes la nécessité de prendre ce résultat avec précautions. Notre connaissance de la structure de l'univers est encore trop floue pour qu'aucune affirmation indiscutable ne soit autorisée.

En tous cas, l'étude de ces particules exceptionnelles et des trous noirs supermassifs alimentent les rêves les plus fous, les théories les plus délirantes et les plus géniales sur l'univers, et finalement remettent un peu d'eau dans le moulin de la réflexion existentielle de l'homme : mais nom d'une pipe, il y a quoi, là-haut ?