Comment ATLAS a recréé la première collision d’un rayon cosmique avec l’atmosphère

En juillet 2025, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a, pour la première fois, fait entrer en collision des protons et des ions d’oxygène. Pour l’expérience ATLAS, cette configuration a servi de modèle contrôlé de la toute première interaction qui se produit lorsqu’un rayon cosmique atteint l’atmosphère terrestre. 69

Un proton pour le rayon cosmique, l’oxygène pour l’atmosphère

Dans cette analogie expérimentale, le faisceau de protons représente la particule arrivant de l’espace, tandis que les ions d’oxygène jouent le rôle des noyaux présents dans l’atmosphère. Celle-ci est principalement composée d’azote et d’oxygène : les collisions proton-oxygène permettent donc d’étudier directement une étape fondamentale du déclenchement d’une gerbe atmosphérique. 9

Les collisions ont eu lieu à une énergie de 9,62 TeV. ATLAS n’a pas tenté de reproduire toute la gerbe de particules, qui se déploie sur une grande partie de l’atmosphère. L’objectif était de mesurer avec précision la collision microscopique initiale dont elle est issue. 6

Ce qu’ATLAS a mesuré

L’analyse porte sur 246 millions d’événements sélectionnés. Chacun comportait au moins une trajectoire de particule chargée ayant une impulsion transverse supérieure à 500 MeV et située dans la région (|η| < 2,5). 9

À partir de ces trajectoires, la collaboration ATLAS a mesuré :

• les taux de production et le nombre de particules produites ;
• les distributions d’impulsion transverse ;
• les distributions de pseudo-rapidité, qui renseignent sur les angles d’émission par rapport au faisceau ;
• les sections efficaces d’interaction. 69

La section efficace proton-oxygène mesurée dans la région définie par l’expérience est de 396 ± 6 (expérimental) ± 9 (luminosité) mb. Par extrapolation théorique au cas proton-air, la section efficace inélastique est estimée à 406 ± 6 (expérimental) ± 9 (luminosité) ± 28 (théorie) mb. 9

Selon le résumé d’ATLAS, les incertitudes sur les mesures de multiplicité, d’impulsion transverse et de pseudo-rapidité sont de l’ordre de quelques pour cent. Elles sont environ dix fois plus faibles que les écarts entre les modèles d’interactions hadroniques employés pour simuler les gerbes de rayons cosmiques. 69

Pourquoi ces données comptent pour l’astronomie des particules

Les observatoires au sol ne détectent généralement pas directement le rayon cosmique primaire. Ils observent les particules secondaires créées lors de ses collisions dans l’atmosphère, puis en déduisent son énergie et, dans certains cas, sa composition. Or cette interprétation repose sur des simulations d’interactions hadroniques — des interactions gouvernées par la force nucléaire forte — pour lesquelles les modèles existants ne coïncident pas parfaitement. 6

Les données proton-oxygène donnent aux concepteurs de ces modèles des repères expérimentaux pour ajuster les probabilités d’interaction, les rendements en particules, les distributions d’impulsion, les angles d’émission et les sections efficaces. L’extrapolation vers les collisions proton-air rapproche encore davantage ces résultats des conditions rencontrées dans l’atmosphère. 69

Mieux cerner la nature des rayons cosmiques les plus énergétiques

Un proton primaire et un noyau plus lourd ne donnent pas naissance à des gerbes identiques : leur développement et leurs fluctuations diffèrent. Des simulations mieux calibrées pourraient donc réduire une source d’incertitude systématique dans l’estimation de la composition des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie, entre noyaux d’hydrogène et éléments plus lourds. Il s’agit d’un bénéfice attendu des nouvelles données, non d’une conclusion directe de la mesure d’ATLAS. 69

Cette composition est également importante pour interpréter les accélérateurs astrophysiques possibles. La déviation par les champs magnétiques et les limites d’accélération dépendent des propriétés du noyau. Une meilleure connaissance de la composition pourrait ainsi renforcer les tests portant sur des sources potentielles, comme les environnements d’étoiles explosives ou de trous noirs supermassifs. La mesure d’ATLAS ne désigne toutefois aucune source de rayons cosmiques et ne démontre aucun mécanisme d’accélération. 69

Une calibration, pas une gerbe complète

Les collisions réalisées au LHC constituent une calibration de la première interaction décisive d’une gerbe atmosphérique, et non sa reproduction intégrale. Leur apport est de remplacer une partie de l’incertitude théorique par des données obtenues dans des conditions contrôlées sur la physique des collisions qui alimente les simulations de rayons cosmiques. 69