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Les derniers résultats du détecteur AMS apportent un nouveau mystère sur le côté le plus lourd des rayons cosmiques

------------- Article paru dans Physics Review Letters, numéro du 29 janvier 2021-------------

Le détecteur AMS installé sur la station spatiale internationale depuis mai 2011 a mesuré avec une précision inégalée, de l'ordre du pourcent, le spectre des noyaux de fer dans les rayons cosmiques, permettant pour la première fois la caractérisation de ces composants très lourds des rayons cosmiques.

Les rayons cosmiques sont constitués de particules et de noyaux qui frappent continuellement la Terre depuis l'espace. Ils sont composés par la plupart de noyaux d'hydrogène et d'hélium, mais tous les noyaux plus lourds sont présents, bien qu'ils ne représentent que 1 % du flux total de rayons cosmiques (figure 1).

Figure 1: Noyaux de rayons cosmiques recueillis par le détecteur AMS en 9 ans de fonctionnement en fonction du numéro atomique Z. L'abondance élémentaire reflète l'abondance naturelle des rayons cosmiques.

 

Pourtant, l'étude de la composante lourde rare est cruciale pour comprendre l'origine des rayons cosmiques. En particulier, les noyaux de fer, comme les noyaux d'hélium, d'oxygène, de néon, de magnésium et de silicium, sont pour la plupart des noyaux de rayons cosmiques primaires produits dans les étoiles, puis accélérés lors des explosions de supernovae et libérés dans le milieu interstellaire. Ainsi, l'étude de leurs spectres, c'est-à-dire leur intensité en fonction de l'énergie, fournit des informations sur les propriétés de leurs sources, de leurs mécanismes d'accélération et de propagation et des propriétés du milieu interstellaire.

Dans le passé, la collaboration AMS a rapporté les mesures des spectres des noyaux de rayons cosmiques jusqu'au silicium, qui ont numéro atomique 14. Ces résultats, auxquels le groupe AMS de l'Université de Genève dirigé par le Dr Mercedes Paniccia a contribué[1] (lien), ont révélé pour la première fois l'existence de deux classes distinctes de rayons cosmiques primaires : la classe primaire légère, à laquelle appartiennent l'hélium, le carbone et l'oxygène, et la classe primaire lourde, à laquelle appartiennent le néon, le magnésium et le silicium. Les spectres des éléments appartenant à la même classe sont identiques, tandis que chaque classe est caractérisée par des spectres nettement différents[2].

AMS a maintenant fourni la première mesure de précision du spectre des noyaux de fer dans les rayons cosmiques, qui ont numéro atomique 26, et sont les plus abondants parmi les noyaux très lourds. Étonnamment, le spectre du fer est similaire à celui des noyaux primaires légers, de l'hélium, du carbone et de l'oxygène, et est nettement différent (avec une significativité de 3s) de celui des noyaux primaires lourds du néon, du magnésium et du silicium (Figure 2).

Figure 2: Les spectres des noyaux cosmiques primaires de fer, comparés aux spectres des rayons cosmiques primaires lourds, du néon, du magnésium et du silicium, et aux noyaux cosmiques primaires légers d'hélium, de carbone et d'oxygène. Comme on peut le voir, la forme spectrale des noyaux de fer ressemble à celle des noyaux primaires légers.

 

Ces nouveaux résultats sont issus des travaux d'analyse de données effectués par le groupe AMS du Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire de l'Université de Genève, dirigé par le Dr Mercedes Paniccia. D'autres analyses indépendantes ont été réalisées par les groupes AMS du MIT (États-Unis), du CIEMAT (Espagne) et de l'INFN-Bologne (Italie) (Figure 3).

Figure 3: Comparaison des résultats du spectre du fer obtenus par les trois groupes d’analyse des données d’AMS.

 

Ces nouvelles mesures du détecteur AMS ont été publiées dans le journal Physics Review Letters [3]. L'article a été sélectionné comme suggestion des rédacteurs du journal PRL et mis en évidence dans la revue Physics [4].

2 février 2021
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