Une équipe internationale de physiciens a développé une approche pionnière de l'utilisation des rayons cosmiques à ultra haute énergie (UHECR) - les particules les plus énergétiques de la nature depuis le Big Bang - pour étudier les interactions des particules bien au-delà de la portée des accélérateurs fabriqués par l'homme. L'oeuvre, décrit dans le journal Lettres d'examen physique , s'appuie sur les mesures UHECR de l'Observatoire Pierre Auger (PAO) en Argentine, qui enregistre des données UHECR depuis environ une décennie.

L'étude peut également mettre en évidence l'émergence de nouvelles phénomène physique pas encore compris à un ordre de grandeur d'énergie plus élevé que celui auquel on peut accéder avec le Grand collisionneur de hadrons (LHC), où la particule de Higgs a été découverte.

L'origine des UHECR reste un mystère, malgré des décennies de travail visant à découvrir leurs sources. Pourtant, avant même que les sources des UHECR ne soient identifiées, les gerbes de particules qu'elles créent dans l'atmosphère terrestre peuvent être utilisées pour explorer la physique fondamentale.

Les rayons cosmiques sont des noyaux atomiques. Lorsqu'ils entrent en collision avec des particules d'air, des centaines de particules supplémentaires sont créées, qui interagissent ensuite pour produire une cascade de particules dans l'atmosphère. Les télescopes PAO mesurent le développement de la douche lors de son déplacement dans l'atmosphère, et les détecteurs de surface PAO mesurent la teneur en particules de la douche au sol. La difficulté d'utiliser les douches à air UHECR pour étudier la physique des particules, jusqu'à maintenant, provenait de l'incertitude dans l'énergie d'un rayon individuel et de ne pas savoir exactement de quel noyau il s'agit.

Le professeur de physique de l'Université de New York Glennys Farrar et Jeff Allen, son étudiant diplômé et chercheur postdoctoral au moment de l'étude, contourné cela en utilisant l'atmosphère de la même manière qu'un détecteur de particules est utilisé dans les expériences de laboratoire. Pour le Lettres d'examen physique étudier, ils ont comparé les données PAO pour 441 douches UHECR, avec des douches simulées par ordinateur basées sur des modèles de physique des particules dérivés d'expériences aux énergies des accélérateurs.

« Les modèles de physique des particules de pointe sous-estiment sérieusement un élément clé de ces douches UHECR, " explique Farrar. " Cela peut indiquer l'émergence de processus physiques imprévus à plus haute énergie que le LHC. Études futures, et les mises à niveau prévues de la PAO, devrait révéler ce qui produit le signal supplémentaire, offrant une fenêtre sur la physique des particules bien au-delà de la portée des accélérateurs."