Expérience rayons cosmiques La physique des astro-particules
Un peu d'histoire … 1912 Hess découvre les rayons cosmiques 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 1020 eV 1975 détecteur de n DUMAND 1991 Fly's Eye détecte le rayon cosmique le plus énergétique 1992 Expérience n Baïkal 1993 Problème des n solaires 1997 Oscillations nm atmosphérique 1999 Premiers résultats AMANDA 2001 Oscillations ne solaires
L'échelle des distances 1 parsec (pc) = 3.26 années lumières ~3x1013 km pc 10-3 Diamètre du système solaire Horizon visible (univers : 4600 Mpc= 15 milliards al) 109 Taille du super amas local (50 Mpc) 106 103 Diamètre de notre Galaxie (25 kpc) Galaxie la plus proche (Andromède : 700 kpc) Taille de l'amas local (~1 Mpc) 1 Etoile la plus proche (Proxima du Centaure: 1.3 pc)
Cosmologie: Une histoire thermique de l'univers Aujourd'hui 15 milliards années 3° K Système solaire Formation galaxies Accrétion gravitationnelle 400000 ans 3000° K Découplage du fonds diffus Domination matière 1 s 1 MeV Eléments lègers Nucleosynthèse 10-6 s 1 GeV Protons, neutrons Transition quark-hadron Transition de phase électro-faible 10-11 s 103GeV Séparation EM/faible 10-35 s 1015GeV Baryogenèse Transition grande unification 10-43 s 1019 GeV Barrière quantique gravit. L'époque de Planck
Les messagers SN1987A Soleil, Neutrinos Protons Photons Log (E) eV 10 12 11 13 15 14 17 16 19 18 20 22 21 Log (E) eV astronomie n astronomie n UHE Libres parcours moyens : g 1 TeV 10 Mpc g 1 PeV 1 Mpc (galaxie !) Coupure GZK (interaction proton-CMB) : ~ 1020 eV 400 g/cm3
Rayons cosmiques TeV sources! / n Radio CMB Visibe GeV g-rays
cheville genou 1 particule /m2-sec 1 particule /m2-année 1 particule /km2-année
Le mécanisme d'accélération de Fermi Plasma clouds (stochastic energy gain) g=1.7 V Shock front g=2.0 Ondes de choc successives sur objet magnetique (plasma relativiste) x probabilité d’échapper au confinement magnétique galactique (E2+f*E-k;k=0.6)
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 g D+ n p+ nm:ne p g D+s L0 D0 s (10-4)sD+ t+ nt nm : ne : nt = 2 : 1 : 10-5 Hubble reveals previously unseen shocks This new, detailed, Hubble image shows a planetary nebula in the making – a proto-planetary nebula. A dying star (hidden behind dust and gas in the centre of the nebula) has ejected massive amounts of gas. Parts of the gas have reached tremendous velocities of up to one-and-a-half million kilometres per hour. Shown in blue is light from hydrogen and ionised nitrogen arising from supersonic shocks where the gas stream rams into the surrounding material. The image shows for the first time these complex gas structures which are predicted by theory.
Le champ magnétique focalise …
Le Crabe : 4 juillet 1054 6.000 années lum. de la terre
Les sources à haute énergie champ magnétique E > 1019 eV ? E ~ G c B R Quasars G~ 1; B ~ 103 G; M ~ 109 M Energie Facteur de Lorentz R ~ G M / c2 masse Etoiles à neutrons; Trous noirs G~ 1; B ~ 1012 G; M ~ M E ~ G B M
Le diagramme de Hillas E ~ G c B R B R Le pulsar du Crabe M87 GRB 000301C Centaure NGC4038 Û NGC4039 SNR Vela
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"
Les rayons cosmiques primaires Principalement d'origine galactique : composante non galactique 10-12 … 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)
variation jour/nuit minime (< 1 %) MESURE Mais … effet indirect sur le flux galactique par modification du champ magnétique terrestre
Les cascades Production de mésons p : p+NN'+np+nn+np Composante hadronique Les mésons p± se désintègrent : p m nm Composante muonique Composante électromagnétique Les mésons p° et m se désintègrent : p° g g m e ne nm
Extension des cascades Les différentes composantes se distinguent par leur longueur d'absorption dans l'atmosphère : Particule Masse MeV Durée de vie Libre parcours g/cm2 Electron 0.5 stable 100 Muon 105 2 ms 261 Pion 139 26 ns 113 Proton 938 110 Neutron 939 12 min 136 Niveau de la mer : A = 1033 g/cm2
Extension des gerbes Dépend de : L'énergie La nature des particules Nombre total de muons : Ne nombre de particules chargées : extension de la gerbe Nombre de muons/m2:
Dispositif Photomultiplicateur NB. Cables : basse tension Haute tension dans le boîtier des PM's Scintillateur 2 m Internet 2 m Discriminateurs Coïncidence Microprocesseur
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 10-8 m Echelle approximative g émission d'UV : ~340 nm 10-4 m g émission dans le bleu : ~400 nm ~1 m
Photomultiplicateurs Anode de collection Focalisation Dynode Photocathode Signal g Accélération Efficacité quantique : # électrons/s pour n g incidents/s Maximum entre 400-440 nm 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
Bruit noir (dark noise) : O (1kHz) nécessité de coïncidence Forme du signal … 20ns 0.5 V Discrimination ~5 V Bruit noir (dark noise) : O (1kHz) nécessité de coïncidence
Logique traitement signal+coïncidences Entrées (discriminateurs) Processeur… Logique traitement signal+coïncidences Ethernet Configuration Processeur RISC 32 bits Mémoire 0,5 Mbytes Alimentation Entrées (discriminateurs)
Acquisition de données Définitions : début prise de données type de coïncidence Intervalle coïnc. (25 150ns) Réseau Ethernet Réception : identification PM's touchés temps (milli sec) Programmation en LabVIEW ! Coïncidences: 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
Futur … GPS Synchronisation du temps Ecoles différentes Réseau Ethernet Coïncidences sur une grande surface HAUTE ENERGIE !!!