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LHCf se penche sur la naissance des gerbes atmosphériques

La plus petite expérience du LHC part à la recherche de l'interaction initiale qui déclenche les gerbes de rayons cosmiques dans l'atmosphère

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One of the LHCf experiment's two detectors, LHCf Arm2, seen here during installation into a particle absorber that surrounds the LHC's beam pipe.
L'un des deux détecteurs de l'expérience LHCf, LHCf Arm2, pendant son installation dans un absorbeur de particules placé autour du tube de faisceau du LHC. (Image: Lorenzo Bonechi)

Les rayons cosmiques sont des particules issues de l'espace interstellaire, souvent des protons, qui se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière. Lorsque les plus énergétiques de ces particules frappent l'atmosphère de notre planète, elles interagissent avec des noyaux atomiques de l'atmosphère et produisent des cascades de particules secondaires, qui tombent alors vers la surface de la Terre. Ces « gerbes atmosphériques » sont semblables aux cascades de particules qui sont créées lors des collisions produites à l'intérieur des collisionneurs de particules tels que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Lors de la prochaine exploitation du LHC, qui commencera en 2021, la plus petite des expériences LHC, à savoir LHCf, va s'intéresser à l'interaction initiale qui déclenche ces rayons cosmiques.

Les observations de gerbes atmosphériques sont généralement interprétées au moyen de simulations informatiques, qui comprennent un modèle représentant la manière dont les rayons cosmiques interagissent avec les noyaux atomiques dans l'atmosphère. Mais il existe différents modèles, et on ignore lequel est le plus approprié. L'expérience LHCf jouit d'une position idéale pour tester ces modèles et contribuer à faire la lumière sur les interactions des rayons cosmiques.

Contrairement aux principales expériences LHC, qui détectent les particules émises à de grands angles par rapport à la ligne de collision, l'expérience LHCf mesure les particules qui vont « vers l'avant », c'est-à-dire qu’elles se déplacent dans de petits angles par rapport à la ligne de collision. Ces particules, qui portent une grande partie de l'énergie de la collision, peuvent être utilisées pour sonder les petits angles et les énergies élevées pour lesquels les prédictions des différents modèles ne concordent pas.

En utilisant des données de collisions proton-proton à une énergie de 13 TeV dans le LHC, LHCf a récemment mesuré comment le nombre de photons et de neutrons dans les petits angles varie en fonction de l'énergie des particules pour des énergies élevées, jusqu'ici inexplorées. Ces mesures concordent mieux avec certains modèles que d'autres, et elles sont pris en compte pour les modélisations des gerbes atmosphériques.

Lors de la prochaine campagne du LHC, l'expérience LHCf devrait élargir la gamme d'énergies des particules qu'elle étudie, puisqu'il est prévu que l'énergie de collision augmente. En outre, et grâce aux travaux d'amélioration en cours, elle devrait aussi augmenter le nombre et le type de particules qu'elle peut détecter et étudier.

Qui plus est, l'expérience prévoit de mesurer les particules émises dans de petits angles lors de collisions de protons avec des ions légers, le plus probablement des ions oxygène. Or les particules concernées dans les interactions qui déclenchent les gerbes atmosphériques sont principalement des noyaux atomiques légers, tels que des noyaux d'oxygène et d'azote. LHCf pourrait par conséquent étudier des interactions de ce type pendant la prochaine campagne, et jeter ainsi une nouvelle lumière sur les modèles d'interaction des rayons cosmiques à des énergies élevées.

Pour en savoir plus, lisez l'article paru dans la lettre d'information du département EP.