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D. Bertrand 1Expérience rayons cosmiques La physique des astro-particules.

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1 D. Bertrand 1Expérience rayons cosmiques La physique des astro-particules

2 D. Bertrand 2Expérience rayons cosmiques Un peu d'histoire … 1927 Les rayons cosmiques sont observés dans une chambre brouillard 1932 Anderson découvre le positon 1937 Découverte du muon 1938 Auger découvre des gerbes de particules 1949 Théorie des rayons cosmiques de Fermi 1962 Détection d'un rayon cosmique de eV 1975 détecteur de DUMAND 1991 Fly's Eye détecte le rayon cosmique le plus énergétique 1992 Expérience Baïkal 1993 Problème des solaires 1997 Oscillations atmosphérique 1999 Premiers résultats AMANDA 2001 Oscillations e solaires 1912 Hess découvre les rayons cosmiques

3 D. Bertrand 3Expérience rayons cosmiques L'échelle des distances 1 parsec (pc) = 3.26 années lumières ~3x10 13 km pc Diamètre du système solaire 10 9 Taille du super amas local (50 Mpc) Horizon visible (univers : 4600 Mpc= 15 milliards al) Diamètre de notre Galaxie (25 kpc) Galaxie la plus proche (Andromède : 700 kpc) Taille de l'amas local (~1 Mpc) 1Etoile la plus proche (Proxima du Centaure: 1.3 pc)

4 D. Bertrand 4Expérience rayons cosmiques Cosmologie: Une histoire thermique de l'univers s GeV Barrière quantique gravit s GeV Baryogenèse s 10 3 GeV Séparation EM/faible s 1 GeV Protons, neutrons 1 s 1 MeV Eléments lègers ans 3000° K Découplage du fonds diffus Accrétion gravitationnelle 15 milliards années 3° K Système solaire L'époque de Planck Transition grande unification Transition de phase électro-faible Transition quark-hadron Nucleosynthèse Domination matière Formati on galaxies Aujourd'hui

5 D. Bertrand 5Expérience rayons cosmiques Les messagers Log (E) eV Neutrinos Photons Protons Soleil, SN1987A astronomie astronomie UHE Libres parcours moyens : 1 TeV 10 Mpc 1 PeV 1 Mpc (galaxie !) Coupure GZK (interaction proton-CMB) : ~ eV 400 /cm 3

6 D. Bertrand 6Expérience rayons cosmiques Rayons cosmiques TeV sources! Radio CMB Visibe GeV -rays //////////////////////////////////

7 D. Bertrand 7Expérience rayons cosmiques 1 particule /km 2 - année 1 particule /m 2 -année 1 particule /m 2 -sec cheville genou

8 D. Bertrand 8Expérience rayons cosmiques Plasma clouds (stochastic energy gain) V Shock front =2.0 Le mécanisme d'accélération de Fermi =1.7

9 D. Bertrand 9Expérience rayons cosmiques L'accélérateur cosmique La plupart des modèles supposent un trou noir et un disque d'accrétion L'accélération se produit près du trou noir ou dans le "jet" Photo production : p + n + : e p D + s 0 D 0 (10 -4 ) + + : e : = 2 : 1 : 10 -5

10 D. Bertrand 10Expérience rayons cosmiques Le champ magnétique focalise …

11 D. Bertrand 11Expérience rayons cosmiques Le Crabe : 4 juillet années lum. de la terre

12 D. Bertrand 12Expérience rayons cosmiques Les sources à haute énergie E ~ c B R Energie Facteur de Lorentz masse champ magnétique Etoiles à neutrons; Trous noirs ~ 1; B ~ G; M ~ M E > eV ? Quasars ~ 1 ; B ~ 10 3 G ; M ~ 10 9 M R ~ M / c 2 E ~ B M

13 D. Bertrand 13Expérience rayons cosmiques Le diagramme de Hillas B R E ~ c B R Le pulsar du Crabe GRB C SNR Vela M87 Centaure NGC4038 NGC4039

14 D. Bertrand 14Expérience rayons cosmiques Bouffées Gammas (GRB's) Energie totale : une masse solaire Energie par photon: 0.1 MeV à 1 TeV Durée: 0.1 secs 20 min Plusieurs par jour Objet le plus lumineux dans le ciel Structure temporelle compliquée: pas de profil "typique"

15 D. Bertrand 15Expérience rayons cosmiques Les rayons cosmiques primaires Principalement d'origine galactique : composante non galactique … mais plus énergétique Composition semblable à celle du système solaire : 95.1 % H; 4.4% He; 0.5% éléments lourds (moitié C-O) Vent solaire : particules de basse énergie absorbées par l'atmosphère Pas les neutrinos ! NB. Nous sommes au milieu d'un cycle (depuis minimum d'activité solaire 1996)

16 D. Bertrand 16Expérience rayons cosmiques variation jour/nuit minime (< 1 %) MESURE Mais … effet indirect sur le flux galactique par modification du champ magnétique terrestre

17 D. Bertrand 17Expérience rayons cosmiques Les cascades Production de mésons p+N N'+np+nn+n Composante hadronique Les mésons ± se désintègrent : Composante muonique Les mésons ° et se désintègrent : ° e e Composante électromagnétique

18 D. Bertrand 18Expérience rayons cosmiques Extension des cascades Particul e Mass e MeV Durée de vie Libre parcours g/cm 2 Electro n 0.5stable100 Muon105 2 s 261 Pion13926 ns113 Proton938stable110 Neutro n min 136 Les différentes composantes se distinguent par leur longueur d'absorption dans l'atmosphère : Niveau de la mer : A = 1033 g/cm 2

19 D. Bertrand 19Expérience rayons cosmiques Extension des gerbes Dépend de : L'énergie La nature des particules Nombre total de muons : N e nombre de particules chargées : Nombre de muons/m 2 : extension de la gerbe

20 D. Bertrand 20Expérience rayons cosmiques Dispositif Scintillateur Photomultiplicateur 2 m Internet Discriminateurs Coïncidence Microprocesseur NB. Cables : basse tension Haute tension dans le boîtier des PM's

21 D. Bertrand 21Expérience rayons cosmiques Scintillateurs Particule chargée traînée de molécules excitées Désexcitation d'une fraction (~3%) de molécules émission de photons Surtout dans des milieux organiques aromatiques (polystyrène, polyvinyltoluène, …) Processus renforcé par présence de fluor (fluorescence) ajouté comme dopant dans des milieux non aromatiques (acryliques) Processus en deux étapes (différentes concentrations de fluor) Excitation par ionisation du plastique de base transfert d'énergie dipolaire m émission d'UV : ~340 nm m émission dans le bleu : ~400 nm ~1 m Echelle approximative

22 D. Bertrand 22Expérience rayons cosmiques Photomultiplicateurs Photocathode Focalisation Dynode Accélération Signal Anode de collection Haute tension (~2 kV) : appliquée en ordre croissant à la cathode, aux dynodes et à l'anode Effet photo électrique Accélérations successives des électrons Multiplications des électrons arrachés à chaque dynode Efficacité quantique : # électrons/s pour n incidents/s Maximum entre nm

23 D. Bertrand 23Expérience rayons cosmiques Forme du signal … 20ns 0.5 V ~5 V Discrimination Bruit noir (dark noise) : O (1kHz) nécessité de coïncidence

24 D. Bertrand 24Expérience rayons cosmiques Processeur… Ethernet Processeur RISC 32 bits Alimentation Configuration Mémoire 0,5 Mbytes Entrées (discriminateurs) Logique traitement signal+coïncidences

25 D. Bertrand 25Expérience rayons cosmiques Acquisition de données Réseau Ethernet Définitions : début prise de données type de coïncidence Intervalle coïnc. (25 150ns) Réception : identification PM's touchés temps (milli sec) 2 et seulement 2 (contiguës ou non) 3 et seulement 3 (contiguës ou non) 4 et seulement 4 (contiguës ou non) 5 Au moins 2 Au moins 3 Au moins 4 Coïncidences: Programmation en LabVIEW !

26 D. Bertrand 26Expérience rayons cosmiques Futur … Réseau Ethernet Synchronisation du temps Ecoles différentes Coïncidences sur une grande surfaceHAUTE ENERGIE !!! GPS


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