ATLAS, laboratoire de rayons cosmiques

À des dizaines de kilomètres au-dessus de la surface de la Terre, des particules de haute énergie provenant de l’espace bombardent sans relâche l’atmosphère, produisant des gerbes de particules secondaires de haute énergie qui s’abattent sur la surface de la Terre. Chaque seconde, en moyenne, une de ces particules vous traverse le corps ; pourtant, les « rayons cosmiques » qui les produisent ne sont pas encore entièrement compris. Dans un article récent, la collaboration ATLAS explique comment sa première mesure de collisions proton-oxygène au LHC pourrait contribuer à une meilleure compréhension des rayons cosmiques. 

C’est le physicien Victor Hess qui a découvert il y a plus d’un siècle l’existence de rayons cosmiques, lors d’expériences menées à bord d’une montgolfière. Aujourd’hui, les astrophysiciens utilisent des détecteurs installés sur terre pour modéliser les gerbes de rayons cosmiques, et réalisent des simulations informatiques de ce phénomène pour comprendre les données recueillies.

Cependant, ces simulations intègrent des paramètres relatifs aux propriétés de la force forte – l’une des forces fondamentales de l’Univers – qu’il est difficile de modéliser avec précision. Ainsi, les simulations actuellement réalisées donnent des résultats divergents, et les astrophysiciens peinent à interpréter leurs mesures des rayons cosmiques.

C’est en partie pour aider à améliorer ces simulations que le LHC a été configuré pour faire entrer en collision des protons et des ions oxygène. Les premières collisions ont eu lieu en juillet 2025. Il a ainsi été possible d’analyser plus en détail des « reproductions » de collisions de rayons cosmiques. Le faisceau de protons jouait le rôle d’un rayon cosmique, tandis que le faisceau d’ions oxygène simulait l’atmosphère terrestre, composée principalement d’azote et d’oxygène.

Un nouvel article décrit comment les équipes d’ATLAS ont analysé ces collisions en mesurant les traces laissées dans le détecteur par des particules chargées électriquement. Elles ont mesuré les propriétés essentielles de la collision, notamment la fréquence à laquelle les particules étaient produites, leur nombre, ainsi que les énergies et les angles auxquels elles jaillissaient.

Elles ont ensuite comparé les distributions des particules chargées d’après les mesures aux valeurs prédites par diverses simulations utilisées pour interpréter les données provenant des observatoires de rayons cosmiques. Ces simulations, réalisées à partir de données issues de collisions antérieures entre des protons et des noyaux plus lourds, donnent des résultats divergents.

Les nouvelles mesures d’ATLAS atteignent un niveau de précision de l’ordre de quelques pour cent, améliorant de manière significative notre compréhension des collisions proton–oxygène. Les théoriciens peuvent utiliser désormais ces résultats pour affiner leurs modèles, ce qui aidera à comprendre ces mystérieuses particules de haute énergie qui nous arrivent de l’espace.