Les rayons cosmiques sont des particules chargées (protons ou noyaux plus lourds), qui bombardent en permanence l'atmosphère terrestre. Le flux de ces particules suit une loi de puissance en fonction de l'énergie. Les rayons cosmiques les plus nombreux ont des énergies « raisonnables », de l'ordre du GeV, mais il existe aussi un faible flux de particules jusqu'à 10²⁰ ev au moins eV. À ces énergies, l'ordre de grandeur du flux est d'une particule par km² par siècle. Le but de l'observatoire Pierre Auger est d'étudier ces rayons cosmiques de ultra haute énergie, environ entre 10¹⁸ eV et 10²⁰ eV, dont la compréhension échappe encore largement à la science actuelle :

On ne connaît pas les sources de ces particules. Il doit s'agir, a priori, d'objets astrophysiques particulièrement violents. Jusqu'à des énergies de 10¹⁵ eV, on pense qu'il s'agit de restes de supernovae, mais à 1020 eV, il s'agit certainement d'objets situés hors de notre propre galaxie. Des modèles très « exotiques » (matière noire super-lourde, défauts topologiques générés lors de la formation de l'Univers...) ont aussi été avancés.

Les mécanismes de propagation de ces particules entre leurs sources et la Terre restent incertains. En particulier, aux énergies supérieures à environ 10²⁰ eV, elles doivent perdre rapidement leur énergie par interaction avec le CMB (c'est l'effet GZK, prédit de longue date et dont la confirmation/infirmation expérimentale est un but majeur de l'observatoire Auger). Par ailleurs, les rayons cosmiques sont probablement déviés par des champs magnétiques, ce qui empêcherait de « voir » directement les sources depuis la Terre.

Lorsque les rayons cosmiques interagissent avec l'atmosphère en arrivant depuis l'espace, ils développent des grandes « cascades » de particules secondaires : ce sont d'ailleurs ces cascades qui sont détectées, in fine, par l'observatoire. Le développement de ces cascades à de telles énergies est encore mal compris, car les énergies mises en jeu sont bien plus élevées que celles auxquelles on accède expérimentalement dans les accélérateurs de particules actuels.

L'observatoire Pierre Auger est donc l'archétype d'une expérience « d'astroparticules » : on espère obtenir à la fois des informations en astrophysique, sur les sources des particules les plus énergétiques qui soient observables, et leur propagation dans l'univers et, dans le domaine de la physique des particules, sur les modèles d'interactions entre noyaux à des énergies auxquelles on n'a pas accès sur Terre.

Antoine Letessier-Selvon, né en 1962, est directeur de recherche au CNRS. Il est titulaire d'un doctorat de physique théorique sur les oscillations neutrinos. Il est spécialiste de la physique des hautes énergies notamment la physique des neutrinos et des rayons cosmiques ultra-haute énergie.

Il a contribué aux expériences sur les oscillations neutrinos à Brookhaven (E816) et au CERN (NOMAD), ainsi qu'à la collaboration DELPHI au grand collisionneur électron-positron (LEP).

Membre fondateur de l'observatoire Pierre Auger, le plus grand observatoire de rayons cosmiques au monde, Antoine Letessier-Selvon travaille actuellement au développement de nouvelles techniques de détection pour de futurs observatoires de rayons cosmiques et aussi pour la détection directe de la matière noire(expérience DAMIC).