En août 1912, le physicien autrichien Victor Hess fit un vol en montgolfière historique, qui a ouvert de nouvelles perspectives pour l’étude de la matière dans l’Univers. En montant à une altitude de 5 300 mètres, il mesura le taux d’ionisation dans l’atmosphère et découvrit que celui-ci était trois fois plus élevé qu’au niveau de la mer. Il en conclut qu’un rayonnement pénétrant entrait dans l’atmosphère depuis le ciel. En fait, il avait découvert les rayons cosmiques.

Ces particules de haute énergie qui arrivent de l’espace intersidéral sont en majeure partie des protons (89 %) – des noyaux d’hydrogène, l’élément le plus léger et le plus courant dans l’atmosphère – mais il y a aussi des noyaux d’hélium (10 %) et des noyaux plus lourds (1 %) de divers éléments, jusqu’à l’uranium. Lorsqu’ils arrivent près de la Terre, ces rayons entrent en collision avec les noyaux d’atomes situés aux confins de l’atmosphère, créant ainsi de nouvelles particules.

L’énergie des rayons cosmiques primaires va d’environ 1 GeV, soit l’énergie produite par un accélérateur de particules relativement petit, à 108 Tev, soit bien plus que l’énergie des faisceaux du Grand collisionneur de hadrons. La fréquence à laquelle ces particules arrivent aux confins de l’atmosphère diminue avec l’augmentation de leur énergie : d’environ 10 000 particules à 1 GeV par mètre carré et par seconde, à moins d’une particule à l’énergie la plus élevée par kilomètre carré et par siècle. Les rayons cosmiques de très haute énergie engendrent d’immenses gerbes pouvant contenir 10 milliards de particules secondaires, voire plus ; celles-ci se répandent sur des zones pouvant atteindre 20 kilomètres carrés à la surface de la Terre, et elles peuvent alors être observées par des détecteurs.

Source : CNRS, « Rayons cosmiques : particules de l’espace »

Une microphotographie montre les impacts d’électrons à haute énergie sur une émulsion photographique située dans un spectromètre. (Image : NASA/Marshall Space Flight Center et Université d’Alabama, Huntsville)