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Gerbes Cosmiques



Le développement de gerbes de particules dans la haute atmosphère

Gerbes hadroniques et gerbes électromagnétiques
Les gerbe électromagnétiques - à gauche - proviennent de l'interaction 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

Le rayonnement gamma de haute énergie est le résultat de processus secondaires consécutifs à l’accélération de particules chargées. Les rayons gamma peuvent être engendrés dans les interactions de protons avec des noyaux du milieu ambiant. Ces collisions produisent des particules secondaires, parmi elles, des pions neutres se désintègrent en émettant des photons gamma. Si l’accélération produit des faisceaux d’électrons, ceux-ci engendreront un rayonnement de freinage par interaction avec le milieu ambiant et du rayonnement synchrotron sous l’effet de champs électromagnétiques ; mais le transfert d’énergie maximum est obtenu dans des interactions Compton avec des photons de basse énergie ce qui produira, dans l’état final, un gamma de haute énergie. Le maximum de transfert est atteint lors d’une rétrodiffusion ou diffusion inverse Compton. On peut donc dire que le spectre en énergie des photons gamma 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
En arrivant dans la haute atmosphère les rayons cosmiques de haute énergie interagissent avec les molécules de gaz. Les rayonnements gamma se convertissent en paire électron-positron.

Les électrons et positrons produits perdent leur énergie en émettant des photons de haute énergie. Ceux-ci peuvent à leur tour se convertir et ainsi de suite, développant 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 instant le développement de la gerbe de particules, dite cascade électromagnétique, s’épuise et disparait.

Les hadrons quant à eux interagissent par interaction nucléaire forte avec les noyaux des atomes constituant l’atmosphère. Ces réactions produisent des séries de particules secondaires essentiellement constituées de fragments de matière nucléaire. 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 pions ou les kaons qui ont une très forte probabilité de se désintégrer par interaction forte en émettant deux photons gamma de haute énergie produisant au sein de cette cascade de matière nucléaire des cascades. S’ils ont une énergie suffisante, les rayons gamma produiront, à leur tour, des cascades électromagnétiques au sein de la gerbe nommée 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.

SUITE : Sources de gamma de hautes énergies

et : Expérience H.E.S.S, Télescopes Tcherenkov