COSMIC SHOWERS / PLUIES COSMIQUES

Angela Olinto – Mon groupe étudie les particules les plus énergétiques qui soient produites dans l’Univers, qu’on appelle des rayons cosmiques de ultra-haute énergie. Ces voyageurs cosmiques de l’extrême atteignent des énergies incroyablement élevées, 1020 électrons-volts, ce qui est dix millions de fois plus important que n’importe quelle particule qu’on peut accélérer sur Terre… Leur origine est une énigme de longue date. Le défi qu’il y a à observer ces particules extrêmes est leur extrême rareté. Elles n’arrivent sur une surface en km2 comme le centre de Chicago, qu’une fois par siècle… Il nous faut donc surveiller de grandes portions de l’atmosphère pour voir ces interactions se produire naturellement. Elles se produisent parce qu’elles viennent de lieux très éloignés et elles nous apportent un message, ces particules, depuis des galaxies très lointaines. Donc la possibilité que ces particules, ou certaines de ces particules viennent des débuts de l’Univers est passionnante.

Pour voir de si gigantesques portions de l’atmosphère, il nous faut vraiment aller dans l’espace-là où un seul télescope peut faire le travail de beaucoup d’observatoires terrestres, et nous espérons que dans les dix ans qui viennent nous allons lancer ce que nous appelons JEM-EUSO, ou EUSO dans la partie JEM de la Station spatiale internationale, ce sera un télescope qui devrait voir cent fois plus de portions d’air que ce que nous avons perçu à ce jour ; et nous sommes en train de développer des prototypes de ce télescope, l’un a volé à bord d’un ballon du CNES, où nous avons dû embarquer un étudiant et un post-doc dans un hélicoptère en-dessous du ballon, tirant au laser pour provoquer des gerbes artificielles, comme le ferait une particule normale ; et lorsque ces gerbes se produisent, ce qui se passe en réalité ressemble à un éclair se déplaçant à la vitesse de la lumière dans l’atmosphère. C’est comme si vous vouliez observer une lampe de 40 watts se déplaçant à la vitesse de la lumière à 40 km de distance ! Il vous faut donc un télescope d’une qualité extraordinaire et une caméra extraordinairement rapide, parce que ces objets sont très rapides, voyez-vous, ils vont à la vitesse de la lumière. La manière dont ils sont produits, c’est que, quand la particule interagit, quand la particule qui vient d’une galaxie extrêmement lointaine interagit dans l’atmosphère, cela provoque une pluie de particules de basse énergie : une particule se convertit en centaines de milliards de particules avant de toucher le sol ! Ces centaines de milliards de particules agitent l’air de l’atmosphère, l’azote de l’atmosphère, cet azote produit de la fluorescence et nous avons donc beaucoup de chance, puisque c’est l’air, fondamentalement, qui nous dit que ces particules sont en train de passer, en nous envoyant des photons ultraviolets, de la lumière ultraviolette. C’est vraiment le signal de ce qui est en train de se passer, sans quoi nous serions incapables de les voir arriver de si loin. C’est vraiment une caractéristique formidable, ça s’appelle la fluorescence, c’est ce qui nous permet de voir à 40 km une particule qui est un infime objet subatomique se déplaçant à la vitesse de la lumière, ce qui est un vrai défi… Mais c’est sympa, hi, hi !

Et maintenant nous sommes prêts à lancer un ballon bien plus gros, un ballon qui partirait de la Nouvelle-Zélande, ferait le tour de la Terre, peut-être deux fois, il pourrait rester là-haut pendant un mois ou deux, et nous pourrions voir beaucoup de pluies naturelles de cosmiques ; et si nous y arrivons dans les deux années qui viennent, nous pourrions être prêts à aller dans l’espace avec une mission de bien plus longue durée, pour vraiment fixer l’origine de ces particules et aussi pour commencer à vérifier s’il ne s’agit pas de reliques des débuts l’Univers à des énergies beaucoup plus élevées… Donc plus nous explorons de hautes énergies, plus nous nous rapprochons des débuts de l’Univers. Il nous faut encore franchir beaucoup d’ordres de grandeur, mais nous sommes à mi-chemin, il nous faut parcourir l’autre moitié pour pouvoir vraiment reproduire le Big Bang…

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Angela Olinto – My group is studying the most energetic particles that are produced in the Universe, called ultra-high energy cosmic rays. These extreme cosmic travelers achieve incredibly high energies, 1020 electron-volts, which is ten million times higher than any particle we can accelerate on Earth… Their origin is a long-standing puzzle. The challenge in observing these extreme particles is that they are very rare. They arrive at a km2 area like downtown Chicago only once a century… So we need to monitor very large volumes of the atmosphere to see these interactions happening naturally, they happen because they come from very faraway places and they bring a message to us, these particles, from faraway galaxies. So, the possibility that these particles or some of these particles come from the beginning of the Universe is very exciting.

To see such huge volumes of air, we really need to go to space. And one telescope can be doing the job of many observatories on Earth, and we are hoping that in the next decade we will launch what we call JEM-EUSO, or EUSO in the JEM Station of the International Space Station, that will be a telescope that should be seeing a hundred times more volumes of air then the ones we filled so far, and we are now developing prototypes of that telescope, one that flew in a CNES balloon, that we had to put a graduate student and a postdoc on an helicopter underneath the balloon, shooting lasers to make artificial showers, just like a normal particle would, and when these showers happen, what happens really is like a flash of light moving at the speed of light in the atmosphere. It’s like you’re trying to observe a 40 watt lamp moving at the speed of light 40 km away! So you have to have an incredibly good telescope and also an incredibly fast camera, because these things are very fast, so they, you know, move at the speed of light. And I should add that the way we see these light bulbs is through ultraviolet light! The way they get generated is that when the particle interacts, the particle that’s coming from a very faraway galaxy interacts in the atmosphere, it generates a shower of low-energy particles: one particle translates into hundreds of billions of particles by the time it reaches the ground! That, those hundreds of billions of particles, they shake the air in the atmosphere, the nitrogen in the atmosphere, and that nitrogen fluoresces, so we get very lucky because the air basically tells us these particles are coming through, by sending us ultraviolet photons, ultraviolet light. So it’s a tag of what’s happening, otherwise we wouldn’t be able to see them from faraway. So this is a really wonderful feature, it’s called fluorescence, and that’s how we are able to see 40 km away a particle that’s a tiny subatomic thing moving at the speed of light, which is quite challenging, but fun… Hu, hu…

So now we’re ready to launch a much longer balloon, a balloon that would leave from New Zealand, go around the Earth once, maybe twice, he would be able to stay up there for a month or two, and we would be able then to see many of these natural showers, so if we accomplish this in the next two years, we should be ready to go to space and have a much longer mission to really nail the origin of these particles and also to start probing if they are or not relics from the beginning of the Universe at much higher energies… So, the higher the energy we probe, the closer to the beginning of the Universe we get. And we have many orders of magnitude to go, but we’ve gone halfway, so we have to go the other half, to be able to really reproduce the Big Bang…

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