La déesse du soleil, cette nouvelle particule à haute énergie qui ouvre tout un champ de nouvelles possibilités pour les physiciens

Atlantico : "Amaterasu", une particule porteuse d'une quantité d'énergie considérable, a été détectée par le réseau Telescope Array en 2021. Une étude sur cette particule vient d’être publiée dans la revue Science ce vendredi 24 novembre. Quelles sont les spécificités de cette particule et quels sont les principaux enseignements de cette étude ?

Olivier Sanguy : Tout d’abord, expliquons rapidement ce qu’est le Telescope Array situé dans l’Utah. Cet observatoire situé aux États-Unis est issu d’une coopération internationale. Sur 700 km2, ont été disposés 507 détecteurs de 3 m2 de surface chacun afin d’étudier les particules très énergétiques issues des rayonnements cosmiques. En fait, les détecteurs ne «voient» pas directement les particules, mais plutôt leurs effets. De telles particules se désintègrent en traversant l’atmosphère, entraînant une pluie de particules subatomiques et aussi de la lumière. Ce sont ces deux effets que capte le Telescope Array. En dépit de cette observation indirecte, les données permettent d’évaluer les caractéristiques de la particule et dans le cas de celle baptisée Amaterasu du 27 mai 2021, son énergie a été calculée à 224x10 puissance 18 électronvolts. Pour des objets de taille habituelle, ce n’est pas énorme, en gros c’est l’équivalent d’une pierre lancée à quelques dizaines de kilomètres/heure. Mais c’est bien sûr prodigieux pour une particule ! On sait que de telles particules très énergétiques constituent les rayonnements cosmiques. En revanche, Amaterasu (nom issu d’une divinité japonaise) atteint un niveau énergétique très rare. Il faut remonter au 15 octobre 1991 pour la détection d’une particule un peu plus énergétique, à savoir celle baptisée «Oh my god» estimée à 320x10 puissance 18 électronvolts.

Comment expliquer une telle concentration en énergie ?

C’est justement tout l’intérêt de cette observation : on n’en a aucune certitude. Classiquement, les particules des rayonnements cosmiques sont issues de phénomènes violents de notre univers comme des trous noirs supermassifs, des sursauts gamma, des collisions de trous noirs supermassifs, etc. En fait, le vide spatial «baigne» dans de tels rayonnements cosmiques (ainsi que ceux issus du Soleil pour votre Système solaire), mais sur Terre nous sommes fort heureusement protégés en grande partie par l’atmosphère. Au contact des atomes de celle-ci, les particules des rayonnements cosmiques sont désintégrées (rappelez-vous, plus haut, c’est cette désintégration qu’on capte le plus souvent et pas la particule elle-même).

Sait-on d’où provient exactement cette particule dans l’Univers ? Qu’est-ce que cette découverte nous dit sur l’espace et l’Univers ?

C’est là le deuxième point très intéressant d’Amaterasu. Les données du Telescope Array ont permis aux scientifiques de reconstituer la trajectoire d’origine de cette particule exceptionnelle. Et le coin de ciel concerné ne contient aucune source suffisamment énergétique susceptible de l’expliquer. Hypothèse : le phénomène à l’origine de cette particule est ailleurs et un champ magnétique aurait dévié Amaterasu. Le souci est qu’une particule aussi énergétique demande des champs magnétiques extrêmement puissants pour être déviée… Comme d’autres observations de phénomènes extrêmes, Amaterasu repousse nos cadres établis et nous force à chercher.

En quoi la découverte de cette particule de haute énergie est-elle prometteuse et enthousiasme les scientifiques ?

Tout d’abord, l’observation est exceptionnellement rare. Rappelons que la précédente particule plus énergique remonte à 1991 ! Outre la possibilité de mieux comprendre des phénomènes violents de notre univers (il va bien falloir expliquer son origine), Amaterasu est aussi bien plus énergétique que ce que les accélérateurs de particules les plus puissants sont capables de produire. Or, ces accélérateurs sont des outils incontournables pour faire avancer la physique. Ici, on a une expérience gratuite à des énergies impensables avec notre technologie. Le Telescope Array devrait accueillir de nouveaux détecteurs, ce qui laisse espérer d’autres observations de particules très énergétiques et ainsi plus de données. De futures Amaterasu pourraient alors bousculer les modèles théoriques actuels et ainsi faire progresser la science.