Limite GZK

Limite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin

La limite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin (ou limite GZK, en anglais : GZK limit ou GZK Cutoff) est une limite théorique supérieure de l'énergie des rayons cosmiques provenant de sources distantes (au-delà de notre galaxie, la Voie lactée). En d'autres termes, bien qu'effectivement détectés, on ne devrait pas observer sur Terre de rayons cosmiques avec une énergie supérieure à cette limite.

Explication

La limite GZK fut calculée en 1966 par Kenneth Greisen, Vadem Kuzmin et Georgi Zatsepin, d'après les interactions prévues entre un rayon cosmique et les photons issus du fond diffus cosmologique. D'après ces calculs, les rayons cosmiques d'une énergie supérieure à 5.10¹⁹ eV interagiraient avec ces photons, produisant des pions.

$\gamma+p\rightarrow\Delta^+\rightarrow p + \pi^0$

ou

$\gamma+p\rightarrow\Delta^+\rightarrow n + \pi^+$

où γ désigne un photon du fonds diffus cosmologique, p le rayon cosmique, Δ une particule intermédiaire, qui se désintègre soit vers un proton p ou un neutron n et un pion π. Ces interactions se produiraient tant que l'énergie des rayons cosmiques serait au delà de cette limite. Ce qui fait que des rayons d'origine lointaine (c'est-à-dire en dehors de notre galaxie) observés depuis la Terre ne dépasseront jamais ce niveau d'énergie. À cause du libre parcours moyen associé à ces interactions, des rayons cosmiques provenant de distances plus grandes que 50 mégaparsecs (163 millions d'année-lumières) ne devraient jamais atteindre la Terre. De plus, il n'existe aucune source proche qui puisse produire des rayons cosmiques de si haute énergie.

Paradoxe

Cependant, des observations par l'Akeno Giant Air Shower Array révèlent des rayons cosmiques d'énergie supérieure à cette limite. L'existence de tels rayonnements est un paradoxe connu sous le nom du paradoxe GZK ou paradoxe du rayon cosmique. Ces observations contredisent certains points de la relativité restreinte et de la physique des particules telles que nous les connaissons aujourd'hui. Par contre, il existe quelques explications possibles à l'observation de ces phénomènes. L'observation, tout d'abord, peut être remise en doute : une erreur minime ou une mauvaise interprétation peut fausser les résultats. Ensuite, cette limite ne s'applique qu'aux sources distantes - il est possible que les rayons observés aient été émis de notre propre galaxie. Dans ce cas, une signature spatiale localisée devrait être détectée. Une autre suggestion implique des particules à haute énergie, les neutrinos, qui par leur interaction créeraient les rayons observés.

Nombre de théories exotiques ont été proposées pour expliquer ces observations, la plus remarquable d'entre elles est probablement celle de la relativité doublement restreinte. Il est cependant établi aujourd'hui que cette relativité doublement restreinte ne prédit pas la suppression de la limite GZK, contrairement aux recherches faites depuis 1997 par Luis Gonzalez-Mestres où un référentiel inertiel local absolu ("le référentiel inertiel du vide") existerait.

Observations

En juillet 2007, durant la trentième conférence internationale sur les rayons cosmique, à Mérida, au Yucatán (Méxique), l'expérience High Resolution Fly's Eye Cosmic Ray Detector (HiRes) et l'Observatoire Pierre Auger présentèrent leurs résultats sur les rayons cosmiques de très haute énergie. HiRes a observé une chute du spectre en énergie des rayons cosmiques précisément à l'énergie prédite, observant seulement 13 détections avec une énergie plus grande que la limite, alors qu'ils en attendaient 43 en l'absence de limite. Ce résultat^[1] De même, l'Observatoire Pierre Auger n'a enregistré que deux détections, qui sont interprétées comme venant de noyaux plus lourds, alors qu'ils en attendaient 30 en l'absence de limite GZK.

En novembre 2007, les chercheurs de l'observatoire Pierre Auger annoncèrent qu'ils avaient des observations montrant que les rayons cosmiques de ultra-haute énergie provenaient de noyaux actifs de galaxie, où le centre est composé d'un trou noir supermassif dans lequel spirale et tombe de la matière. ^[2].

Les données de la collaboration AUGER confirment ainsi l'existence de la limite GZK. Mais des physiciens ont fait remarquer ^[3] que les conséquences de l'existence de cette limite pour la relativité restreinte et les modèles sur la violation de la symétrie de Lorentz^{[réf. nécessaire]} dépendent énormément de la composition des rayons cosmiques de ultra-haute énergie.

D'après l'analyse faite par la collaboration AUGER, les rayons cosmiques avec une énergie supérieure à 6.10¹⁹ eV semblent être principalement des protons. Un point de vue alternatif a été proposé par Daniele Fargion ^[4]. Il suggère que ces rayons sont principalement des noyaux légers: hélium, bérylium, bore, carbone, oxygène. Le problème de la limite GZK reste donc encore partiellement irrésolu.

Voir aussi

• Observatoire de rayons cosmiques

Liens externes

• (en) Rutgers University experimental high energy physics HIRES research page
• (en) Cosmic-ray.org
• (en) "Could the end be in sight for ultrahigh-energy cosmic rays?", Subir Sarkar, PhysicsWeb, 2002
• (en) Historique de la recherche sur les rayons cosmiques.

Notes et références

1. ↑ astro-ph/0703099] First Observation of the Greisen-Zatsepin-Kuzmin Suppression
2. ↑ ASTROPHYSICS: Universe's Highest-Energy Particles Traced Back to Other Galaxies - Cho 318 (5852): 896 - Science
3. ↑ [0802.2536] Lorentz symmetry violation and the results of the AUGER experiment
4. ↑ [0801.0227] Light Nuclei solving Auger puzzles ?

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