Guide pour la lecture des articles sur le genou et la cheville

Guide pour la lecture des articles sur le genou et la cheville
                                                             31 mai 2008

        L’explication des mécanismes qui génèrent le genou et la cheville du spectre complet des
particules chargées du rayonnement cosmique est décrite dans une série d’articles présentés dans
l’ordre suivant afin de clarifier la rédaction du présent guide :
[1] L’origine de la cheville
    (The origin of the ankle)
[2] Bassins galactiques de l’Helium et du Fer autour du genou
     (Galactic basins of helium and iron around the knee energy)
[3] Un Mécanisme unique générant le genou et la cheville dans la zone galactique
    locale
    (a unique mechanism generating the knee and the ankle in the local galactic zone)
[4] La transition de trajectoires tortueuses à des trajectoires rectilinéaires des rayons
    cosmiques dans la Galaxie est à l’origine du genou et de la cheville
    (The transition from tortuous to rectilinear cosmic ray trajectories in the Galaxy is at the origin of the knee and the ankle)

        A titre d’information, l’ordre chronologique des références diffère de l’ordre plus logique
donné ci-dessus, ce qui illustre la nécessité d’un guide. La chronologie est la suivante :
[2] INFN/TC-06/05 (2006), 20 Février 2006
[3] VULCANO WORKSHOP 2006, Frontier Objects in Astrophysics and Particle Physics, 22-28 Mai,
2006, Vulcano, Italie.
[1] CRIS 2006, 6th Cosmic Ray International Seminar, Ultra-High Energy Cosmic Rays: Status and
Perspectives, 29 Mai -2 Juin, 2006, Catane, Italie.
[4] 30th Conf. Int. des Rayons Cosmiques (CIRC 2007), Juillet 3-11, 2007, Merida, Yucatan,
Mexico.

        L’explication du genou et de la cheville, que présente ce guide de lecture, est totalement
disjointe des modèles classiques. Elle est apparue dans une large mesure à la suite de hasards
convergents mis en évidence par l’observation du résultats des calculs de simulation dont les limites
n’avaient pas été a priori définies à partir d’hypothèses sur la production des rayons cosmiques,
mais avaient été définies par la propagation des rayons cosmiques dans la Galaxie. Les calculs ont
été guidés par l’apparition, qui n’était pas a priori prévue, d’une structure dans la région d’énergie
du genou. La cheville a été observée au hasard d’une extention du calcul introduite dans le but de
préciser la forme de la descente du spectre vers les hautes énergies.

         Cette explication a été obtenue à partir d’hypothèses théoriques et de données empiriques
largement mises en œuvre par tous ceux qui aujourd’hui se livrent à des recherches sur des aspects
encore inconnus et problématiques du rayonnement cosmiques, à l’exception de l’hypothèse
fondamentale que pour chacun des ions cosmiques l’indice spectral est constant en fonction de
l’énergie. Cette hypothèse est complètement nouvelle et d’une grande simplicité, cependant sans
elle il aurait été impossible d’obtenir un accord avec les données expérimentales. Cet accord a ceci
de remarquable qu’il s’étend sur 8 décades d’énergie, voire plus, tout en ne requérant qu’un unique
point de normalisation de l’intensité du spectre, d’ailleurs choisi à une énergie arbitraire, par
exemple à 1012 eV.

      Les données empiriques incorporées dans cette théorie du genou et la cheville sont les
dimensions du disque galactique, la densité de la matière interstellaire, le champ magnétique

régulier à structure spirale, et le champ magnétique turbulent représenté par une distribution de
nuages.

       Les hypothèses théoriques se limitent à la distribution spatiale des sources galactiques de
rayons cosmiques dont la densité est prise uniforme dans tout le disque. On considère comme
marginale ou nulle la composantes extragalactiques du rayonnement cosmique jusques aux
énergies de 6 x 1019 eV.

        Les hypothèses théoriques et les données observationnelles ne présentent pas de difficultés
particulières de compréhension. Cependant il faut tenir compte de ce que :
[1] la méthode n’est pas basée sur des calculs analytique. Les proprietés des rayons cosmiques
galactiques sont analysées à travers les trajectoires des particules reconstruites par simulation
numérique dans la Galaxie.
[2] L’explication du genou exploite la notion de bassin galactique, qui est nouvelle.
[3] Les repliements des trajectoires des ions cosmiques, engendrés par les effets conjugués des
champs magnétiques réguliers et turbulents, se transforment dans une région donnée de la galaxie
en une intensité augmentée du rayonnement cosmique de manière non intuitive.
[4] Cette conversion n’existe pas dans les méthodes de calcul analytique, à savoir les modèles de
diffusion et les modèles à boîte poreuse) et, pour cela, sa compréhension exige quelque patience.

                                           Le Bassin galactique
        Le référentiel fondamental, pour toute analyse quantitative des propriétés des rayons
cosmiques galactiques, est le chams magnétique à spirale qui véhicule dans une très large partes
rayons cosmique le long de ses lignes de force, et cela en dépit des perturbations des trajectoires
engendrées par les champs magnétique chaotiques. Le bassin galactique reflète l’existence du
champ magnétique régulier dans la Galaxie et a une importance fondamentale dans l’explication du
genou. Donné un point arbitraire dans la Galaxie, le bassin est la fraction du volume galactique
alentour du point qui contient les sources des rayons cosmiques qui alimentent le flux de particules
cosmiques au point considéré. En lui-même, un tel concept (analogue à celui du bassin fluvial
d’une rivière terrestre) est complètement banal; mais il cesse de l’être si on considère les méthodes
d’investigation des rayons cosmiques trouvées dans la littérature et encore aujourd’hui largement
utilisées.
        La notion de bassin galactique a eté introduite dans Simulation numérique des propriétés
fondamentales du rayonnement cosmique (Numerical simulation of fundamental properties of galactic cosmic
rays), et réexpliquée de manière succinte dans le travail Etendue des régions de collection des
protons cosmiques, des ions Berillium, Carbone et Fer et largement discutée dans Etendue et
forme es zones de collection des rayons cosmiques galactiques de l’Hélium au Fer.

                                           La Méthode de Calcul
         Les articles sur la méthode du calcul sont:
Simulation numérique des propriétés fondamentales du rayonnement cosmique (Conf. Int.. de Vulcano
(1998) p. 439-453) et Age des protons cosmiques calculé avec des configurations simples du champ
magnétique galactique (Age of cosmic proton using simple configurations of the galactic magnetic field , Brunetti
M.T. and Codino A. ApJ 528, 789 , 2000).

Genoux et Chevilles

       L’article fondamental sur l’origine et la nature du genou est Bassins galactiques de
l’Helium et du Fer autour du genou (Galactic basins of helium and iron around the knee energy, A. Codino and F.
Plouin, INFN/TC-06/05 (2006); astro-ph/0701498, january 2007)

      Pourquoi existe-t-il des chevilles et des genoux et comment les chevilles sont liées aux
genoux des ions individuels est expliqué dans : L’origine de la cheville ( The Origin of the Ankle, A.
Codino and F. Plouin, CRIS2006, Catania, Nucl. Phys., Proc.Supp. B165 (2007); astro-ph/0701593, janvier 2007).

L’article Un Mécanisme unique générant le genou et la cheville dans la zone galactique
    locale, (A. Codino and F. Plouin, Conf. Intern. de Vulcano (2007); astro-ph/0701521, mai 2007) contient les
arguments déjà disséminés dans les deux précédents articles, mais surtout des aspects nouveaux sur
nature du genou et de la cheville. Par exemple, dans ce travail, sont déterminés les positions des
chevilles le long l’axe de l’énergie (comprises entre 1018 et 6 1019 eV) à partir d’un raisonnement
général, indépendant de la méthode de calcul. Les chevilles des ions individuels se placent en un
point particulier de minimum que l’on obtient en faisant le produit des sections efficaces par le
grammage (il faut noter que les chevilles des ions individuels n’ont jamais été observées
expérimentalement, mais que c’est seulement la cheville du spectre complet du rayonnement
cosmique pour laquelle on dispose aujourd’hui, en 2008, d’une solide évidence expérimentale dans
plusieurs expériences).

L’allure de la tortuosité des trajectoires des ions en fonction de l’énergie, l’énergie croissant jusqu’à
des valeurs supérieures à 1018 eV (où la tortuosité va disparaitre pour fairer simplement place par
une suite de segments quasi rectilignes) permet de découvrir un aspect de la relation qui se noue
entre le genou et la cheville. Cet aspect est précisément mis en avant dans le bref article La
transition de trajectoires tortueuses à des trajectoires rectilinéaires des rayons cosmiques dans la
Galaxie est à l’origine du genou et de la cheville (The transition from tortuous to rectilinear cosmic ray
trajectories in the Galaxy is at the origin of the knee and the ankle) qui pour d’autres aspects ne contient rien de
nouveau par rapport aux trois travaux déjà mentionnés ci-dessus.

        Quelques conséquences de cette solution du genou et la cheville concernent l’allure du
temps de résidence des rayons cosmiques dans la Galaxie, ou bien le grammage en fonction de
l’énergie, dans l’intervalle 1010 - 6 1019 eV, c’est à dire dans des régions de basses énergies par
rapport à l’énergie du genou. L’article La nature trompeuse des modèles à boîte poreuse dans la
physique des rayons cosmiques (The misleading nature of the leaky box models in Cosmic Ray Physics) rappelle
l’attention sur l’accord entre le grammage calculé dans cette théorie du genou et la cheville avec
l’allure du grammage déduit des données expérimentales des basses énergies, et le désaccord des
modèles à boîte poreuses pour les mêmes quantités.

         On ajoute enfin à cette note un commentaire culturel général sur la raison pour laquelle
cette solution peut subsister en tolérant les zones d’ombre qui existent aujourd’hui dans la Physique
des Rayons Cosmiques, ce commentaire est illustré avec le dessin suivant, Les Gladiateurs.

Cette théorie du genou et la cheville a été rendue possible parce que quelques problèmes
critiques de la physique des rayons cosmiques ont pu être contournés, isolés ou minimisés, de
manière à éviter leur interférence avec les mécanismes à l’origine du genou et de la cheville. Le
vent galactique, par exemple, est un paramètre marginal. La distribution spatiale des sources dans le
disque n’est pas un paramètre critique. Ainsi, la distribution des supernovae, ou une distribution
uniforme des sources dans le disque ou tout autre distribution, pourvu qu’elle soit reliée à la densité
de la matière interstellaire ferait aussi bien l’affaire. La méthode de calcul n’est pas analytique. Les
variables physiques des rayons cosmiques telles que les rapports des flux, les grammages des ions,
etc., sont évaluées en utilisant les trajectoires des rayons cosmiques dans la Galaxie et reconstruites
par le programme de simulation. Cette méthode de calcul a été utilisée par nous depuis plus de
treize ans.

        Symboliquement, les gladiateurs dans le dessin défendent et protègent l’idée de l’origine du
genou et de la cheville. L’idée est matérialisée par le cercle vert au centre de la figure ; ce qui est
dans le cercle possède sa propre cohérence logique, basée sur nombreuses données empiriques.

Dans certains cas les gladiateurs, non seulement défendent, mais aussi contre-attaquent,
comme dans le cas du grammage. L’allure du grammage en fonction de l’énergie calculée dans
cette théorie du genou et la cheville est en accord avec des récentes données expérimentales (là où
elles sont disponibles, voir La nature trompeuse des modèles à boîte poreuse dans la physique des
rayons cosmiques (The misleading nature of the leaky box models in Cosmic Ray Physics).

Ce résultat du grammage à basse énergie (qui en principe n’avait rien à voir avec le genou et la
cheville) va modifier aussi bien un des piliers de la physique des rayons cosmiques des basses
énergies cru vrai pendant 40 ans.

                                                                   Antonio Codino,   31 mai 2008