Where did the ‘Oh-My-God’ particle come from?

Notre planète est soumise à un bombardement constant de radiations…depuis l’espace.

Eh bien, ce n’est peut-être pas aussi effrayant que cela le laisse paraître. « Rayonnement » est un terme fourre-tout que les astronomes utilisent pour désigner les formes de lumière, y compris la lumière visible, celle que nous voyons, ainsi que les particules subatomiques qui circulent dans l’espace. Normalement, nous ne considérons pas ces particules comme des « rayons » – des rayons cosmiques, pour être précis – mais nous utilisons toujours cette nomenclature en raison de l’inertie du jargon.

Certains rayons cosmiques proviennent du soleil, d’autres d’ailleurs dans notre Voie lactée, et d’autres, appelés rayons cosmiques extragalactiques, trouvent leur origine sur de vastes distances jusqu’à d’autres galaxies.

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En fait, c’est une idée remarquable : la Terre est régulièrement frappée par des particules. d’autres galaxies. C’est une longue randonnée, un voyage de plusieurs dizaines de millions d’années-lumière, parfois plus, qui se termine lorsqu’un de ces rayons capricieux est absorbé sans danger par notre atmosphère, bien au-dessus de nos têtes.

Ces particules arrivent avec une large gamme de vitesses, ce qui leur confère une large gamme d’énergie cinétique, l’énergie du mouvement. Dans notre univers macroscopique, nous utilisons une unité comme le joule pour mesurer l’énergie, qui est encore assez petite. (Il faut environ quatre joules pour élever un centimètre cube d’eau de 1 degré Celsius.) Les physiciens des particules utilisent cependant une unité beaucoup plus petite appelée électron-volt (ou eV). Il en faut 26 millions de milliards pour chauffer la même quantité d’eau ! C’est une unité plus appropriée pour les particules, la plupart du temps. Mais les rayons cosmiques se déplacent si rapidement – ​​proche de la vitesse de la lumière – qu’ils peuvent avoir une très énergie cinétique élevée, atteignant facilement le niveau du mégaélectronvolt (MeV) et du gigaélectronvolt (GeV).

Vous ne le ressentiriez toujours pas si l’un d’entre eux vous frappait. Mais ce qui est choquant, c’est que certains rayons cosmiques ont atteint loin, loin des énergies plus élevées que cela.

En 1991, le détecteur Fly’s Eye, qui surveillait le ciel à la recherche de la lueur provoquée par des particules énergétiques frappant notre atmosphère, a détecté un éclair si énorme qu’il défiait toute croyance : le rayon cosmique qui l’a déclenché avait une énergie de 320 quintillions d’eV, soit 320 milliard GeV. C’est des millions de fois l’énergie cinétique des protons que nous pouvons faire tourner dans nos accélérateurs de particules les plus puissants. Il est si énergétique, en fait, qu’il a un équivalent macroscopique décent : ce rayon cosmique transportait 51 joules d’énergie cinétique, ce qui équivaut à peu près à la même chose qu’une balle courbe lente, mais cette énergie est venue à partir d’une seule particule subatomique.

On l’a surnommée la particule « Oh-My-God », et elle fait dresser les cheveux sur ma nuque.

Pourquoi? Parce que les protons sont d’une taille presque incompréhensible – par analogie, la taille d’un proton comparée à celle d’une orange est à peu près la même que la taille d’une orange comparée à celle d’une orange. le diamètre de l’orbite de Neptune autour du soleil.

La particule OMG est un grand mystère. D’une part, pour avoir autant d’énergie, il faut qu’elle ait voyagé incroyablement rapide par rapport à la Terre. En supposant qu’il s’agissait d’un proton, il se déplaçait à une vitesse de 99,99999999999999999999995 pour cent de la vitesse de la lumière. Si un photon et la particule OMG avaient été dans une course depuis la formation de l’univers, la particule ne serait plus qu’à environ 600 mètres derrière.

Alors, qu’est-ce qui pourrait propulser une particule comme celle-ci à des vitesses aussi ridiculement élevées ? La réponse pourrait vous choquer.

Il ne s’agit pas d’appâts à clics : des ondes de choc, en particulier dans des structures catastrophiques à haute énergie telles que les faisceaux focalisés de matière et d’énergie sortant d’un trou noir supermassif. Le gaz ionisé se déplaçant rapidement hors de tels événements entraîne des champs magnétiques extrêmement puissants. Les particules subatomiques chargées (telles que les protons, qui portent une charge électrique positive) sont accélérées lorsqu’elles se déplacent dans de tels champs, parfois à grande vitesse. Mais si le gaz entre en collision avec d’autres nuages ​​​​de gaz, les particules subatomiques peuvent jouer au ping-pong entre elles, gagnant de l’énergie à chaque fois qu’elles rebondissent. (C’est ce qu’on appelle l’accélération de Fermi de premier ordre, un terme que j’aime pour son Star Trek– comme la cadence.) Ils peuvent devenir si énergiques qu’ils sont projetés comme une pierre d’un trébuchet.

Malgré cela, il est extraordinaire de rendre les particules jusqu’à quelques femtomètres par seconde plus lentes que la lumière elle-même, et les processus spécifiques impliqués ne sont pas clairs. Il n’existe aucune source connue capable de cela dans la Voie Lactée, donc la particule OMG provenait très probablement d’une autre galaxie. Le deuxième rayon cosmique le plus énergétique jamais observé, surnommé Amaterasu d’après la déesse du soleil shintoïste, avait une énergie de 244 quintillions d’eV, et il semble provenir d’une partie du ciel qui chevauche la galaxie PKS 1717+177, connue pour avoir des jets extrêmement puissants sortant de son trou noir central. Beaucoup d’autres ont également été associées à d’autres galaxies actives.

Et il y a encore plus de mystère à venir. La vitesse de la particule OMG viole en fait une règle cosmique empirique utilisée par les astrophysiciens des particules. L’univers est rempli de rayonnements issus du Big Bang, appelés fond diffus cosmologique. Il s’agit d’un élément à faible consommation d’énergie, en supposant que vous ne vous déplacez pas rapidement par rapport à celui-ci.

Mais une particule se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière verra le rayonnement venant d’elle s’amplifier considérablement en énergie à cause du décalage Doppler, et à ces vitesses, cet effet se produit à un niveau ridiculement extrême. Un proton frappé par des photons à haute énergie devrait perdre de l’énergie, ce qui le ralentirait, de sorte qu’à très grande vitesse, il serait rapidement décéléré. Il existe une limite encore plus stricte ; si les photons qu’il voit sont suffisamment énergétiques, le proton sera converti en deux autres particules subatomiques, un neutron et un pion. Ces deux éléments se désintègrent rapidement en encore plus de particules, de sorte qu’en fin de compte, les protons de très haute énergie (avec plus de 50 quintillions d’eV) provenant de galaxies lointaines ne devraient jamais nous atteindre.

Alors, comment la particule OMG est-elle arrivée ici ?

La réponse pourrait simplement être qu’il ne s’agissait pas d’un proton. Les rayons cosmiques sont un mélange de différentes particules subatomiques, notamment des noyaux d’hélium (deux protons et deux neutrons liés ensemble) ou encore des éléments plus lourds. Un noyau de fer, responsable fréquent des rayons cosmiques, ne serait pas affecté de la même manière qu’un proton et pourrait effectuer ce long voyage jusqu’à la Terre.

La particule OMG est le rayon cosmique à la plus haute énergie jamais détectée, mais de nombreux autres ont été observés avec des énergies légèrement inférieures mais néanmoins surprenantes. Il est clair que l’univers n’a aucun problème à les fabriquer, même s’ils sont rares.

Outre leur aspect génial, ils nous disent également quelque chose d’important sur le cosmos. Il existe des moteurs d’une puissance extrême, capables de produire des particules bien plus énergétiques que ce que nous pourrions espérer sur Terre. Des énergies comme celle-ci étaient courantes, voire omniprésentes, au tout début de l’univers, donc trouver des particules comme celle-ci, c’est comme avoir une fenêtre sur la fraction de seconde qui a suivi le big bang.

L’univers nous apprend sur lui-même et tout ce que nous avons à faire est de prêter attention aux petites choses.