Les scintillateurs sont des matériaux qui émettent de brefs éclairs de lumière, appelés scintillations, lorsqu’une particule chargée les traverse et y dépose de l’énergie. Ces éclairs sont extrêmement rapides et faibles, mais peuvent être détectés par des capteurs lumineux sensibles tels que des photomultiplicateurs ou des photomultiplicateurs en silicium.

Ils existent sous de nombreuses formes : les scintillateurs plastiques sont couramment utilisés pour leur durabilité et leur facilité de mise en forme, tandis que les scintillateurs liquides peuvent couvrir de grands volumes et sont utiles dans les détecteurs de neutrinos. Lorsqu’une particule traverse un scintillateur, elle excite les molécules du matériau. Quand ces molécules retournent à leur état fondamental, elles émettent des photons. Ces photons sont ensuite captés par des capteurs optiques et convertis en signaux électroniques, permettant ainsi de compter et de suivre le passage de la particule. Ce principe simple permet aux physiciens d’étudier des processus subatomiques invisibles à l’œil nu.

Les rayons cosmiques sont des particules très énergétiques qui voyagent dans l’espace et bombardent constamment la Terre. Ils sont constitués principalement de protons, avec quelques noyaux atomiques plus lourds et des électrons. La plupart proviennent du Soleil ou de notre galaxie, accélérés par des événements énergétiques tels que les supernovae, tandis qu’une infime fraction provient de sources extragalactiques.

Lorsque les rayons cosmiques atteignent la Terre, ils interagissent avec la haute atmosphère, produisant des cascades de particules secondaires appelées gerbes atmosphériques. Ces gerbes incluent des muons, des électrons et d’autres particules qui peuvent atteindre la surface et même pénétrer sous terre. Au niveau de la mer, des centaines de muons traversent chaque mètre carré chaque seconde, sans que l’homme ne s’en aperçoive.

Le champ magnétique terrestre nous protège des rayons cosmiques de faible énergie provenant du Soleil, si bien que les rayons cosmiques détectés à la surface sont majoritairement d’origine galactique. Aux énergies les plus élevées, les rayons cosmiques deviennent extrêmement rares, et leurs sources ainsi que leurs mécanismes d’accélération restent encore mystérieux.

La découverte des gerbes étendues dans les années 1930 par Pierre Auger et ses collaborateurs reposait sur des détecteurs à scintillateur pour mesurer les coïncidences sur plusieurs sites. Ce travail a révélé que les rayons cosmiques interagissent dans l’atmosphère pour produire des cascades de particules, posant ainsi les bases des observatoires modernes de rayons cosmiques.

L’Observatoire Pierre Auger, situé en Argentine, est le plus grand détecteur de rayons cosmiques au monde. Il s’étend sur plus de 3 000 km² dans la région de Mendoza et combine un réseau de détecteurs de surface avec des télescopes à fluorescence pour étudier les rayons cosmiques de très haute énergie.

Chaque détecteur de surface est une station à eau Cherenkov, qui capture la lumière Cherenkov produite lorsque les particules secondaires des gerbes de rayons cosmiques traversent l’eau. Un grand détecteur à scintillateur est placé au sommet de chaque station, comptant chaque particule chargée qui le traverse. Les télescopes à fluorescence observent la faible lumière ultraviolette émise par les molécules d’azote excitées lors du passage de la gerbe atmosphérique.

En combinant ces différentes méthodes de détection, l’Observatoire peut reconstruire l’énergie, la direction et la composition des rayons cosmiques, y compris ceux dont l’énergie dépasse largement celle atteignable avec les accélérateurs artificiels. Ces mesures aident les scientifiques à comprendre les processus les plus énergétiques de l’univers.

L’Observatoire Pierre Auger s’appuie directement sur les découvertes de Pierre Auger, qui a démontré pour la première fois que les rayons cosmiques produisent des cascades de particules secondaires dans l’atmosphère. Aujourd’hui, il étend ce principe à l’étude des rayons cosmiques les plus rares et les plus énergétiques, cartographiant les gerbes de particules sur les plaines argentines.