Les rayons cosmiques sont des particules énergétiques qui bombardent de façon continue notre planète, leurs énergies et en particulier celle des particules dont l'énergie est de l'ordre de 10 puissance 20 ev est une des questions non résolus de l'astrophysique, sa résolution ouvre une fenêtre sur nos théories des interactions fondamentales à des énergies inaccessibles en accélérateur.
les rayons cosmiques les plus énergétiques percutent la haute atmosphère, ils produisent des particules secondaires dans une réaction en chaîne appelée gerbes atmosphérique, la géométrie et la composition chimique de ces gerbes permettent de remonter aux propriétés de la particule incidente.
Les particules capables de se propager sur des distances astrophysiques sans perdre leurs énergies ne sont pas nombreuses, les photons les neutrinos et les noyaux atomiques;
L'univers n'est cependant pas transparent pour des nucléons de grande énergie car ils interagissent avec les photons du fond diffus cosmologique, un tel nucléon perd une partie de son énergie en produisant des pions.
Si les rayons cosmiques sont d'origine cosmologique leur spectre doit avoir une coupure dite GZK, les observations ne confirment pas ces expériences. Pour une énergie inférieur, dans notre galaxie seul les supernovaes et les pulsars sont donc des candidats. Pour une énergie encore plus faible les sources extragalactiques incluent les radio galaxies et les noyaux actifs des galaxies.
L'isotropie des directions donne deux solutions
si elles sont à 100 Mpc elles sont rares et on n'a rien trouvé il faudrait que les rayons cosmiques soit déviés par des champs magnétiques extragalactiques d'environ 10 puissance moins 11 tesla sur l'ordre du Mpc, mais ceci n'est pas possible.
le scénario conventionnel doit résoudre trois énigmes
-expliquer les évènements au dessus de GZK
-identifier les sources astrophysiques
-expliquer l'isotropie de la distribution des rayons cosmiques
trois cas sont donc possible
-les rayons cosmiques sont des particules très massives, un tel mécanisme évite la coupure GZK, elles doivent être produites dans l'univers primordiale et il faudrait expliquer pourquoi elles ont survécues jusqu'à nos jours
-La seconde possibilité c'est que les particules n'interagissent pas avec les photons, c'est le cas des neutrinos ces particules ne sont pas accélérés par des mécanismes électromagnétique et doit être des particules secondaires
-La dernière solution l'interaction entre photons et nucléons est modifiée pour une raison inconnue
Quelques soient la solution elle explique des informations sur des théories à ces énergies, donc en dessous de 100 Mev, le vent solaire écarte les protons venant de l'extérieur du système solaire.
La source de la majorité de ces rayons cosmiques se trouve dans la voie lactée, au dessous c'est l'énergie de ces rayons semble être extragalactique et au dessus supérieur à 10 puissance 20 c'est la coupure de GZK