Les rayons cosmiques sont des particules à haute énergie de l'espace qui frappent l'atmosphère de la Terre, générant des averses de particules secondaires, telles que des muons, qui peuvent atteindre la surface de la planète. Ces dernières années, les expériences au sol ont détecté plus de muons cosmiques que les modèles théoriques actuels ne prédisent, une différence connue sous le nom de puzzle du muon.
Les expériences souterraines offrent de bonnes conditions pour la détection des muons cosmiques, car la roche ou le sol au-dessus des expériences absorbe les autres composants de douche. Ils pourraient donc aider à résoudre le puzzle du muon. Un exemple est Alice au grand collisionneur de hadrons (LHC).
Conçu pour étudier les produits des collisions lourdes, Alice est également bien adaptée à la détection des muons cosmiques grâce à son emplacement dans un caverne 52 mètres sous terre, protégé par 28 mètres de roche de morts et à 1 mètre supplémentaire de joug à aimant en fer.
Dans un article récent publié dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physicsla collaboration Alice rapporte la détection d'environ 165 millions d'événements contenant au moins un muon cosmique, ainsi que 15 702 événements avec plus de quatre muons cosmiques.
Ce grand échantillon a été prélevé entre 2015 et 2018 lors des pauses dans le LHC Run 2, alors qu'aucun faisceau de particules ne circulait dans le collision. Le temps total de prise de données s'est élevé à 62,5 jours – plus du double de la durée de la campagne de rayons cosmiques précédente dans LHC Run 1 (2010-2013), qui a enregistré environ 22,6 millions d'événements avec au moins un muon.
En analysant comment le nombre d'événements varie avec l'augmentation de la multiplicité du muon (le nombre de muons par événement), la collaboration Alice a observé une tendance lisse et décroissante d'une multiplicité de 5 à une multiplicité de 50, au-delà duquel le nombre d'événements est très faible et soumis à de grandes incertitudes statistiques (voir figure ci-dessous).
Les chercheurs d'Alice ont comparé cette distribution de multiplicité du muon décroissante avec des simulations basées sur trois modèles de production de parties secondaires et en supposant deux compositions extrêmes de rayons cosmiques primaires: les noyaux d'hydrogène (protons), représentant la composition la plus légère possible, et les noyaux de fer, représentant une composition très lourde.
Ces comparaisons ont montré que la distribution mesurée correspond aux rayons cosmiques primaires avec des énergies allant de 4 à 60 PEV, où 1 PEV est 1015 Electronvolts. Dans cette gamme d'énergie, la composition des rayons cosmiques primaires devrait être un mélange d'espèces nucléaires, des protons au fer.
L'un des trois modèles reproduit la distribution observée, mais uniquement lorsque vous supposiez que les rayons cosmiques primaires sont composés de fer. En revanche, les deux autres modèles sous-estiment le nombre d'événements même en supposant une composition de fer.
Bien que ces résultats suggèrent que les éléments lourds dominent la composition des rayons cosmiques primaires, ils ne tiennent pas compte de la composition mixte attendue et de la fraction croissante des éléments lourds comme multiplicité, et donc de l'énergie des rayons cosmiques primaire augmente.
En se concentrant sur des événements rares avec plus de 100 muons, les chercheurs ont constaté que ces événements de haute multiplicité sont bien décrits par deux des modèles lorsqu'ils supposaient une composition de fer. Ces résultats sont compatibles avec une énergie moyenne d'environ 100 PEV pour les rayons cosmiques primaires qui ont probablement produit ces événements.
Les nouveaux résultats Alice confirment l'écart entre les données au sol et les modèles qui constitue le puzzle du muon. L'amélioration des modèles en incorporant ces résultats du LHC peut aider à résoudre le puzzle.
