300 téraélectronvolts, le photon que le fond diffus aurait dû effacer en route

Le chiffre

Vous avez peut-être en tête le LHC du CERN et ses protons accélérés à 6,8 téraélectronvolts. Le détecteur Carpet-3, dans le Caucase du Nord, a enregistré le 9 octobre 2022 un photon de 300 téraélectronvolts venu du sursaut gamma GRB 221009A, 4 536 secondes après le début de l’explosion. Soit 44 fois l’énergie d’un proton du collisionneur, dans une seule particule. Sur les 2,36 milliards d’années-lumière du trajet, le fond diffus cosmologique aurait dû le pulvériser.

La division est sans mystère : ce photon portait 44 fois l’énergie d’un proton du LHC. Le chiffre a d’ailleurs bougé en chemin. La collaboration Carpet l’estimait d’abord à 251 téraélectronvolts, avant de le relever à 300, à 43 près vers le haut et 38 vers le bas. Le détecteur à muons rénové de l’observatoire de Baksan et une analyse par apprentissage automatique ont fait la différence (Physical Review D 111, 102005).

Un doute subsistait sur la nature de la particule. La collaboration Carpet chiffre à environ 3 sur 10 000 la probabilité que la gerbe atmosphérique ait été déclenchée par un noyau de rayon cosmique. Trois chances sur dix mille. La probabilité d’une coïncidence fortuite avec le sursaut tombe à 9 sur 1 000.

Pourquoi l’Univers est opaque à cette énergie

Giorgio Galanti (INAF, Milan) et Marco Roncadelli (INFN Pavia) l’écrivent sans détour dans Physical Review Letters du 8 septembre 2026 : un photon de cette énergie est absorbé par le fond diffus cosmologique. Le mécanisme est connu : en croisant un photon du rayonnement micro-onde, le gamma se convertit en paire électron-positron et s’éteint. L’espace, à ces énergies, n’est plus transparent.

GRB 221009A porte un surnom dans la communauté, le BOAT. C’est le sursaut le plus brillant détecté en flux crête et en fluence. Sa galaxie hôte se situe à un décalage vers le rouge de 0,151, soit environ 2,36 milliards d’années-lumière aujourd’hui (The Astrophysical Journal Letters, 28 mars 2023).

Ces 4 536 secondes de retard forment la deuxième anomalie. Elles placent le photon bien après l’après-lueur au téraélectronvolt que LHAASO suivait en Chine. Dmitry Ofengeim et Tsvi Piran posent le même problème dans Physical Review D 112, 083055, en accusant cette fois la lumière de fond extragalactique plutôt que le rayonnement micro-onde.

La relativité plie, les axions ne suffisent pas

Les particules de type axion étaient le candidat naturel, et le mécanisme est élégant. Le photon se change en axion pour la durée du voyage, traverse le fond diffus sans le voir, puis redevient photon en approchant de la Voie lactée. Galanti et Roncadelli les jugent fortement défavorisées pour ce photon-là, prises isolément.

La violation de l’invariance de Lorentz passe le test. Cette entorse au socle de la relativité restreinte apparaît comme la limite à basse énergie de certaines théories de gravité quantique. Elle décale les seuils d’interaction entre particules, change l’opacité du fond cosmique et rend la vitesse du photon dépendante de son énergie. Les deux auteurs en tirent deux bornes à 95 % de confiance, dans la version complète de l’article : 1,22 × 10²¹ GeV dans le cas linéaire, 2,03 × 10¹³ GeV dans le cas quadratique. Les scénarios qu’ils retiennent mêlent les deux pistes, oscillations photon-axion et corrections de Lorentz.

Dix lignes suffisent à poser le dossier, des marges d’erreur aux bornes théoriques.

Aucune de ces valeurs ne se mesurera deux fois : le sursaut est passé. AAP a déjà raconté des photons en temps négatif dans un nuage d’atomes et les photons noirs d’Eskdalemuir. Ces expériences, au moins, se rejouent en laboratoire.

Burns et ses collègues situent la récurrence d’un sursaut aussi vif entre 7 200 et 11 200 ans. Le prochain photon interdit se fera attendre.

Article créé en collaboration avec l’IA.