Les protons identifiés comme la principale composante du rayonnement cosmique à très haute énergie

Depuis son site idéalement situé à 4400m d'altitude en Chine, l'expérience d'étude des rayons cosmique LHAASO, à laquelle participe une équipe du laboratoire APC, a publié le 16 novembre 2025 les résultats de plusieurs années d'observation. Ils ont ainsi pu établir pour la première fois que la frange la plus énergétique du rayonnement cosmique est composée en très grande partie de protons accélérés à des vitesses colossales par des objets cosmiques extrêmes. Potentiellement des trous noirs accrétant de la matière d'étoiles.

Un dispositif de 1,3 km2 installé à 4400m d’altitude

Les rayons cosmiques, des noyaux lancés à des vitesses folles dans le cosmos, bombardent l'atmosphère en permanence y provoquant des carambolages de particules (électrons, positrons, muons, photons principalement) qui se déploient en larges cônes et tombent à la manière d'une grêle invisible sur le sol à chaque impact. Pour en savoir plus sur ce bombardement cosmique, les physiciens et physiciennes étudient ces gerbes de particules avec de vastes dispositifs placés en altitude pour ne pas en perdre une miette. C'est notamment le cas de l'expérience LHAASO en Chine, la plus haute de son genre à 4400m d'altitude et à laquelle participe une équipe de l'APC (CNRS, Université Paris Cité) emmenée par Dmitri Semikoz.

Le spectre en protons le plus étendu jamais réalisé

Depuis sa position privilégiée et la combinaison de plusieurs types d'instruments capables d'analyser finement la composante des gerbes et leur trace lumineuse, l'expérience a permis de définir très précisément la composante en protons du rayonnement cosmique reçu, depuis les basses énergies jusqu'aux plus hautes, autour du Peta électronvolt, à savoir un ordre de grandeur 100 fois plus élevé que ce que le LHC au CERN peut espérer produire. « En nous permettant de combiner deux observables (le rapport muons/électrons et la quantité de lumière Tcherenkov), LHAASO nous fournit un échantillon de protons purs, composé à 90 % ou 95 % de protons selon les paramètres de sélection », explique Dmitri Semikoz.

 Ce spectre, le plus étendu jamais réalisé, montre que les protons deviennent largement prédominants dans les très hautes énergies et que les variations observées dans le spectre global des rayons cosmiques, est essentiellement à mettre sur son compte. C'est le cas notamment au niveau du "genou", une inflexion bien connue du spectre vers 15 Peta électronvolt (10^15 eV). 

« Il s'agit d'une étape importante pour comprendre l'origine des rayons cosmiques dans la Galaxie, ajoute Dmitri Semikoz. Nous pouvons désormais étudier quelle population de sources galactiques est responsable de ce phénomène. LHAASO détecte notamment un flux de rayons gamma provenant de plusieurs microquasars et il pourrait s'agir de sources candidates intéressantes. »