Je croyais que les pluies de particules venues de l’espace n’avaient plus de secret : ce que le CERN a recréé avec quelques noyaux d’oxygène m’a laissé sans voix

Une pluie qui traverse votre tête chaque seconde

Des physiciens du CERN ont recréé les collisions qui déclenchent les gerbes de rayons cosmiques dans l’atmosphère terrestre. Le résultat, publié en 2026 par l’expérience ATLAS, tient en une phrase gênante pour les spécialistes. Aucun des modèles informatiques utilisés pour simuler ces gerbes ne parvient à reproduire chaque détail.

Les modèles sont donc faux, ou du moins incomplets.

Le phénomène, lui, est familier. À des dizaines de kilomètres d’altitude, des particules de haute énergie venues de l’espace frappent l’atmosphère et créent des gerbes de particules secondaires qui retombent vers le sol. Environ une de ces particules traverse votre tête chaque seconde. Le physicien Victor Hess avait découvert ces rayons il y a plus d’un siècle, lors de vols en ballon. Un siècle plus tard, leur physique détaillée reste pourtant floue.

Quelques jours de juillet 2025 pour inverser les rôles

En juillet 2025, pendant quelques jours, le LHC a été transformé en gigantesque machine à rayons cosmiques. Le faisceau de protons jouait le rôle du rayon cosmique, le faisceau d’ions oxygène celui de l’atmosphère.

L’énergie visée était de 9,62 TeV par paire de nucléons. L’air n’étant pas de l’oxygène pur, les physiciens extrapolent ensuite leurs mesures à des collisions proton-air, en supposant un mélange de 78 % d’azote et 22 % d’oxygène. Cette campagne a aussi inclus des collisions oxygène-oxygène et néon-néon, les toutes premières enregistrées par ATLAS.

Jamais auparavant le LHC n’avait été configuré pour faire entrer des protons en collision avec des ions oxygène.

Le verdict : des simulations qui divergent entre elles

Le problème vient de la force nucléaire forte, difficile à modéliser avec précision. Les astrophysiciens s’appuient sur des simulations pour interpréter ce que leurs détecteurs au sol enregistrent, et ces modèles ne s’accordent pas entre eux. Or, les mesures d’ATLAS sont plus de dix fois plus précises que les écarts entre les modèles, ce qui permet enfin de trancher. Selon Karl-Heinz Kampert, les constructeurs de modèles attendaient ces données avec impatience et ont déjà commencé à les corriger.

L’enjeu dépasse la querelle de spécialistes. Les gerbes contiennent trop de muons par rapport aux prédictions, un déficit des simulations qui apparaît vers 8 TeV dans le système nucléon-nucléon, donc à portée du LHC. Une méta-analyse a établi cet écart avec une significativité de 8 sigma, bien au-delà du seuil habituel de la découverte.

Pourquoi l’oxygène, précisément ? Les collisions proton-proton et proton-plomb ne ressemblent pas à la première interaction d’une gerbe, alors que proton-oxygène et oxygène-oxygène sont de bonnes références. Il manquait un système intermédiaire. Autre bénéfice, les distributions de quarks et de gluons dans l’oxygène n’étaient jusqu’ici fondées que sur des données simulées.

Ce que le LHC ne pourra pas reproduire

Le directeur de la prudence s’impose : le LHC ne reproduit pas toutes les collisions cosmiques, mais fournit des points d’ancrage expérimentaux contrôlés aux modèles quand les mesures d’accélérateur s’arrêtent. Les rayons les plus énergétiques de l’univers dépassent de très loin ce que n’importe quelle machine terrestre peut atteindre.

La question de leur composition reste ouverte, d’autant que les résultats de l’observatoire Auger suggèrent que les plus énergétiques sont surtout des noyaux plus lourds. D’où l’intérêt des collisions oxygène-oxygène, plus proches de cette réalité que celles d’un simple proton.

La mesure d’ATLAS est référencée sous le numéro arXiv:2604.05512 et a été présentée à la conférence SM@LHC 2026. Elle arrive alors que le Run 3 du LHC touche à sa fin, après quelques jours de faisceau seulement.

Sources : atlas.cern | physicsworld.com