Observatoire Pierre Auger L’étude des rayons cosmiques de très hautes énergies CPPM 16/03/2009

Etude des rayons cosmiques autour de 1020 eV Evénements extrêmement rares Etat des connaissances en 1995 ~20 événements au-dessus de 1020 eV 6 expériences avec chacune quelques événements détectés 2 expériences en désaccord sur le spectre en énergie … avec 2 techniques de détection différentes => Détecteur géant avec 2 techniques de détection : * réseau de surface : coupe transversale de la gerbe * détecteur de fluorescence : développement longitudinal de la gerbe Paramètres à mesurer : Direction, Energie, Nature

Définition du détecteur Etude des rayons cosmiques autour de 1020 eV Evénements extrêmement rares : 1 evt/km2/siècle surface de détection importante : 30 evts/an = 3000 km2 Impact au sol important : qq 109 particules sur qq km2 Symétrie/direction du primaire : échantillonnage possible réseau triangulaire : 1.5km entre détecteur Synchronisation à moins de 15 ns => Détecteur autonome : Alimentation sur batteries rechargées par panneaux solaires Communications hertziennes avec le monde extérieur Marquage en temps par GPS Intelligence locale pour gérer l’ensemble

La détection des gerbes atmosphériques

The Surface Array Detector Station GPS antenna Communications antenna Electronics enclosure Solar panels Battery box 3 – nine inch photomultiplier tubes Plastic tank with 12 tons of water

Station locale Front end • µ-contrôleur : 3 PMs : 9’’ (2 sorties par PM : anode et dernière dynode) 6 FADC (40 MHz - 10 bits -> 17 bits de dynamique) Trigger 1 : Cyclone II -> stockage de l’information (~110 Hz) Données : ~20 µsec autour du trigger - 6x768 bins • µ-contrôleur : Lecture DMA de la mémoire de données Timing : GPS (OnCore UT Motorola) + horloge 100 MHz (GPS : précision intrinsèque de 8 ns) Trigger 2 : sélection fine (~20Hz) Gestion du dialogue avec la station centrale Contrôles-commandes : tensions PM, lecture des tensions, courants, températures, contrôle du LED flasher 8

tout a été validé lors de la période de fonctionnement de l’EA Engineering Array : prototypes Carte Processeur Carte Front-end (USA) Carte Slow-control (LAL) Carte Time tagging (Besançon) tout a été validé lors de la période de fonctionnement de l’EA 10

Electronique : production succès dans l’EA passage à la production ASIC TTAG Carte unifiée Réalisation d’un ASIC Time Tagging : dans la carte unifiée Production terminée en 2005 : 1800 cartes 11

Ex. d’actions locales Variation de la température des PMs Température PM1 Variation de la température des PMs • modification du gain • correction par calibration sur les muons verticaux Température électronique Variation de la température de l'électronique • dérive de l’horloge 100 MHz • correction avec le 1 pps du GPS Dérive 100MHz

Le réseau de surface Chaque détecteur de surface est équipé d’une unité de réseau sans fil qui communique avec une station de base située sur une tour de concentration : • 28 secteurs wireless LAN, chacun pouvant accéder à 60 détecteurs • réalisation en laboratoire du matériel et protocoles propriétaires • le réseau opère dans la bande industrielle, scientifique et médical (ISM) : 902-928 MHz • time-division multiple access (TDMA) • ‘’over-the-air’’ bit rate de 200 kbits/s partagé entre toutes les stations d’un secteur • volume de données 1200 bits/s pour chaque station • le protocole garantit un accès au réseau à chaque détecteur toutes les secondes

Les liens micro-ondes • liaison point à point entre les concentrateurs de données • réseau micro-ondes utilisant une architecture de télécommunications standard • équipement disponible dans le commerce • fonctionne dans la bande de 7 GHz • chaque liaison a une capacité of 34 Mbps • 2 branches aboutissant à une station centrale

Présentation globale

SD le 01/04/2009 1652 tanks deployed 1644 with water 1624 with electronics 1593 tanks running 31 tanks down SD le 01/04/2009 Loma Amarilla Cuhueco Los Morados Los Leones

Fonctionnement détecteurs : toutes les secondes ~20 alertes -> station centrale alerte : dépôt d'énergie dans le détecteur. Envoi du temps précis de l'événement et une valeur grossière de l'énergie. Utilise environ la moitié de la bande passante. conservation des données 5s dans la station locale. station centrale : corrélation géographique et temporelle 3 détecteurs proches ou plus dans un temps l’ordre de 6 µsec • station centrale : demande des données si corrélation avérée décision en moins de 2s détecteurs : envoie des données correspondantes + calibration chaque seconde, par paquets dans la bande passante restante ------------------------------ + détecteurs : envoie des données de monitoring (/6 min) 18

Près du coeur de la gerbe : - beaucoup d'énergie déposée - durée courte (<750 ns) Loin du coeur de la gerbe : - peu d'énergie déposée - longue durée (~ 3s)

Détecteur de fluorescence

Détecteur de fluorescence Miroir sphérique (3,5x3,5 m2 ) Caméra (440 PM)

Hybrid Event

Auger en quelques chiffres : 17 pays, 60 institutions deux sites pour couvrir tout le ciel : hémisphère sud : Malargüe (Argentine) hémisphère nord : Lamar (Colorado-USA) observatoire sud approuvé et financé en 1999 coût du site sud : 48 M$ (WBS) réseau de surface de 1600 stations 24 détecteurs de fluorescence sur 4 sites

3 départements du CNRS (PNC, SU, SPI) dans la phase de conception Auger en France 3 départements du CNRS (PNC, SU, SPI) dans la phase de conception 5 laboratoires de l’IN2P3 aujourd’hui budget de 3 M€ pour le site sud 1,5 M€ du CNRS 510 k€ de l’IN2P3 120 k€ de l’INSU 350 k€ de la région Ile-de-France 520 k€ du programme Astroparticule construction : bases photomultiplicateurs (IPN) électronique et logiciels des stations locales (PCC-APC) liens micro-ondes entre concentrateurs/station centrale (LPNHE) matériels et logiciels de la station centrale (LPNHE)

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5165 km2 sr yr ~ 0.8 full Auger year Energy spectrum from SD < 60° Slope = -2.62 ± 0.03 Exp Obs >1019.6 132 +/- 9 51 > 1020 30 +/- 2.5 2 Calibration unc. 18% FD syst. unc. 22% 5165 km2 sr yr ~ 0.8 full Auger year 27