Responsable du projet AMS en France

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1 Responsable du projet AMS en France
L’expérience Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) sur la Station Spatiale Internationale (ISS) J.P. VIALLE, LAPP/Annecy Responsable du projet AMS en France AMS Journée sur le spatial à l’IN2P3, Paris 19 février 2009

2 AMS: 14 ans, 16 Pays, 60 Instituts, 500 Physiciens
P.I. : Samuel C.C. TING, Prof. au M.I.T., Prix Nobel de Physique USA FLORIDA A&M UNIV. JOHNS HOPKINS UNIV. MIT - CAMBRIDGE NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER NASA JOHNSON SPACE CENTER NASA KENNEDY SPACE CENTER FLORIDA STATE UNIVERSITY (NAT. HIGH MAG. FIELD LAB) TEXAS A&M UNIVERSITY UNIV. OF FLORIDA UNIV. OF MARYLAND UNIV. OF TEXAS YALE UNIV. - NEW HAVEN MEXICO UNAM DENMARK UNIV. OF AARHUS FINLAND HELSINKI UNIV. UNIV. OF TURKU FRANCE LAPP ANNECY LPSC GRENOBLE LPTA MONTPELLIER GERMANY RWTH-I RWTH-III MAX-PLANK INST. UNIV. OF KARLSRUHE ITALY ASI CARSO TRIESTE IROE FLORENCE INFN & UNIV. OF BOLOGNA INFN & UNIV. OF MILANO INFN & UNIV. OF PERUGIA INFN & UNIV. OF PISA INFN & UNIV. OF ROMA INFN & UNIV. OF SIENA NETHERLANDS ESA-ESTEC NIKHEF NLR RUSSIA I.K.I. ITEP KURCHATOV INST. MOSCOW STATE UNIV. SPAIN CIEMAT - MADRID I.A.C. CANARIAS. SWITZERLAND ETH-ZURICH UNIV. OF GENEVA CHINA BISEE (Beijing) IEE (Beijing) IHEP (Beijing) SJTU (Shanghai) SEU (Nanjing) SYSU (Guangzhou) SDU (Jinan) KOREA EWHA KYUNGPOOK NAT.UNIV. PORTUGAL LAB. OF INSTRUM. LISBON ACAD. SINICA (Taiwan) AIDC (Taiwan) CSIST (Taiwan) NCU (Chung Li) NCKU (Tainan) NCTU (Hsinchu) NSPO (Hsinchu) TAIWAN 2

3 AMS: Physique fondamentale sur la Station spatiale Internationale
γ,ν Hubble, Chandra, GLAST, JDEM Discoveries: Pulsar, Microwave, Binary Pulsars, (4) X Ray sources, solar neutrinos (5) Dark Matter, Dark Energy … … AMS WHIPPLE, HESS, … Les 100 kms d’atmosphère au-dessus de nos têtes absorbent les particules chargées. Une mesure précise et à haute statistique des flux chargés impose donc d’aller dans l’espace SUPER K AUGER

4 AMS : Alpha Magnetic Spectrometer
Un détecteur type Physique des Particules dans l’espace Recherche d’antimatière Primordiale. en particulier mesure des rapports He/He et C/C Recherche indirecte de la matière noire non baryonique. Tout type de produit d’annihilation de  sauf  Etude du rayonnement cosmique. Mesure des spectres des e±, p±, 3,4He, B,C,9,10Be, élements Z<25 avec leur contenu isotopique Rayonnement  et sources  (non prévu initialement) sous impulsion française 3 mètres Gain en sensibilité de 3 à 4 ordres de grandeur. Haute statistique. Domaine d’énergie du GeV au TeV AMS-02

5 AMS-01 : LE VOL PRECURSEUR
Première incursion de l’IN2P3 dans le spatial 10 jours dans l’espace sur la navette Discovery en Juin 1998 pour valider le concept AMS. Orbite inclinée à 51.7°altitude kms Juillet : le LAPP (Jean Favier, Roman Kossakowski, Jean-Pierre Vialle) décide de participer à AMS, rejoint 3 mois plus tard par l’ISN (Michel Buénerd, Daniel Santos). Projet de contribution au Cerenkov aérogel. Grande difficulté de convaincre, côté IN2P3 comme côté CNES 12 décembre 1996: CS IN2P3 approuve la participation française au détecteur AMS01 seulement, et réserve sa réponse pour la suite. 2 février 1997: Recommandation positive du FPAG de l’ESA Juin 1997 : Recommandation négative du groupe ad’hoc du CNES Juin 1998 : 10 jours dans l’espace, 100 GB de données collectées : 5 papiers importants de la collaboration AMS sur les flux de rayons cosmiques, et les flux secondaires sous le seuil géomagnétique Plusieurs papiers de l’ISN et du LAPP sur l’interprétation des données et sur l’application aux flux de neutrinos.

6 Séparation électron/hadron jusqu’à 3.51 GeV/c
AMS-01 : CONTRIBUTION AU DETECTEUR CERENKOV AEROGEL A SEUIL (Collaboration avec MIT et BOLOGNE) Etude de la collection de lumière et de la cellule de base : LAPP + ISNG Etude de la structure mécanique (FEM), assemblage des cellules, tests, integration : ISNG Etude de l’électronique de lecture (adaptée de celle dessinée pour le T.O.F.): LAPP Aérogel d’indice 1, Cellules 110x110x88 mm3 lues par des pm’s Hamamatsu 5900 Séparation électron/hadron jusqu’à 3.51 GeV/c Circuit analogique de lecture Contribution aux tests de qualification spatiale. 5 mois à KSC (Floride) pour les tests de préparation au lancement Séjour au JSC (Houston, TX) pendant le vol pour la réception des données et le monitoring de l’instrument.

7 300,000 canaux d’électronique. 650 microprocesseurs.
LE DETECTEUR AMS02 Aimant supraconducteur. Champ magnétique dipolaire de 0,86 Tesla.m2 de puissance de courbure. 300,000 canaux d’électronique. 650 microprocesseurs. Précision du détecteur : temps Δ t = 100 ps espace Δx = 10 µm vélocité Δv/v = séparation e/h ~106 Fe P e– He e+ TRD TOF Tracker + Magnet RICH ECAL – ___ Physics example Antimatter Cosmic Ray Physics Strangelets Dark matter

8 Participation française à AMS02
22 avril 1999: Groupe de Phys. Fondamentale du CNES donne son soutien à AMS02 12 octobre 1999: CS IN2P3 approuve les projets de l’ISN et du LAPP pour les détecteurs GPS RICH ECAL LAPP Annecy Computing ECAL CC Lyon LPSC Grenoble SUPPORT FINANCIER DE: CNRS/IN2P3, CNES, RHONE-ALPES, Haute-Savoie LPTA Montpellier RICH Nombreuses compagnies sollicitées: Alcatel, Axon, C4I, Edgetek, Fischer, Huca, Intespace, Meca Magnetic, Resa, … GPS

9 La deuxième phase : AMS02 Equipes actuelles:
Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble (LPSC) Chercheurs  : A.Barrau (M.C), M.Buenerd (DR, Emeritus), L.Derome(M.C), M. Mangin-brinet(CR) ITA instrumentation : M. Marton ITA électronique : J.P. Scordilis Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de Physique des Particules (LAPP) Chercheurs : G.Coignet (DR, Emeritus), C.Goy-Henningsen (DR), R.Kossakowski (PR), S.Rosier-Lees (DR), J.P.Vialle (DR, coordinateur AMS-France) ITA Mécanique : C.Girard (IR), B.Lieunard (IE), J.M Dubois(AI). F.Cadoux (IR) maintenant a Genève ITA Electronique : R.Hermel(IR), N.Fouque(IE) Controle de Qualité : Vanessa Riva-Lepareur Groupe d’Astroparticules de Montpellier (LPTA) à partir de 2002 Chercheurs : A.Falvard (DR), A.Jacholkowska (DR) maintenant à Paris ITA Informatique: Claude Zurbach (IR) Depuis 1999, au LAPP comme au LPSC, dans chaque laboratoire plus d’une dizaine d’ITA Ingénieurs et techniciens ont contribué à la réalisation des sous-détecteurs concernés et à leur qualification. Support de la NASA à travers Lockheed-Martin puis Jacobs Sverdrup pour le choix des matériaux, tests et qualification, production des documents spécifiques au spatial, revues, …

10 CALORIMETRE ELECTROMAGNETIQUE (LAPP ANNECY)
► SYSTEME DE COLLECTION DE LUMIERE ET ELECTRONIQUE FRONT-END AVEC ASIC ET CONVERSION NUMERIQUE. 324 PM à 4 anodes ► DECLENCHEMENT ECAL ANALOGIQUE. ► SUPPORT MECANIQUE Challenge : excursion dynamique de 60,000 (du MIP au TeV) PM et Front-End Carte EIB pour 9 PM’s et trigger Test Vide-thermique Tests de vibration à Pekin Pise Pekin Annecy 10

11 CALORIMETRE ELECTROMAGNETIQUE (LAPP ANNECY)
ASSEMBLAGE ET TESTS DU ECAL ECAL. MODELE DE VOL Profil longitudinal de la gerbe et résolution en énergie (terme constant 1.4%) d’après les données en faisceau Test et calibration du modèle de vol dans un faisceau d’électron CERN (juillet 07)

12 ASSEMBLAGE ET INTEGRATION
ECAL: INTEGRATION SUR LA STRUCTURE SUPPORT UNIVERSELLE (LUSS) ETUDES DE CABLAGE ET D’INTEGRATION SUR LA STRUCTURE USS

13 IMAGEUR CERENKOV RICH (LPSC GRENOBLE)
Conception du RICH. Etude du double radiateur configuration pour étendre le domaine d’énergie Dessin d’un faisceau multi-ions dédié au CERN pour les tests Responsabilités : Diviseurs haute tension et électronique Front End avec ASIC (détection photoélectron) Assemblage et tests des unités de photodétection Prototypage, Integration et tests PhotoMultiplicateur (1 pouce carré) Avec électronique Front End

14 IMAGEUR CERENKOV RICH (LPSC GRENOBLE)
Incident SPS Pb ion beam (20GeV/c/n) Production target Momentum analysis Br Br = Cte x g A/Z Detector Few mrad Design of dedicated multi-ions beam at CERN and test of RICH prototype Z 2 3 6 ~16 >16 He Li C O Ca-Fe Accelerator measurements of AMS detector 14

15 IMAGEUR CERENKOV RICH (LPSC GRENOBLE)
Production of Photodetection system 15

16 SYSTEME GPS (LPTA MONTPELLIER)
Projet supporté par l’Union Européenne et le CNES 1.5 kg 2-8 W TOPSTAR 3000 miniaturisé de ALCATEL - SPACE fournit Position / Vélocité / temps UTC à bord (Précision 10m / 1cm.s-1 / 1s) Collaboration avec GALILEO. Tests du GPS (modèle d’ingénierie) Le LPTA apporte aussi une contribution importante au système d’acquisition de données du tracker silicium (programmation DSP) Modèle de vol monté sur AMS02 au CERN 16

17 TESTS D’ELECTRONIQUE RADIATIONS
Tests de composants non encore qualifiés regroupés pour la collaboration. Plusieurs sessions à Darmstadt: Ions lourds (129Xe, 197Au, 238U) de 100 à 1000 MeV/Nuc. Exposition en gamma à Genève TESTS EMC/EMI Beaucoup de Circuits fabriqués au CSIST (Taiwan). Tests réalisés sur place (Screening, EMC/EMI, etc …)

18 TRAVAUX A VENIR Tests de l’aimant supraconducteur: En cours (contribution de l’Institut Néel et du LNCMI du CNRS Grenoble) Intégration générale (mai-sept. 2009). Test éventuel en faisceau au CERN (oct. 2009) selon avancement des travaux Tests globaux vide-thermique et EMI/EMC à l’ESTEC (nov./dec. 2009) Envoi en Floride (Janv. 2010) Tests de préparation à l’envol ~ 4 mois Lancement programmé vol STS-134 le 16 septembre 2010

19

20 Quelques remarques en conclusion
Il est essentiel de démarrer la démarche de contrôle de qualité et de documentation dès le début du projet. Nous n’avons pas à l’IN2P3 d’installation complète de tests de qualification : Pot vibrant, chambre anéchoïque et tests EMI/EMC, chambre vide-thermique (au contraire de l’INFN) La physique reste la principale motivation, et ici les bruits de fond et les perturbations aux signaux recherchés sont dus aux objets célestes et aux conditions de propagation dans le milieu galactique / intergalactique --> un domaine nouveau (pour nous) à maîtriser

21 SPARES

22 Phénoménologie de la matière noire
Recherche indirecte inclusive : p, e+, D, γ → Construction d’un générateur de spectres (SUSY et extra-dimensions) - collaboration LAPP-LAPTH Recherche de signaux non ambigus (caractéristiques spectrales, répartition des sources) Phéno. / nouvelle phys. : G. Bélanger, F. Boudjema, A. Pukhov, A. Semenov Spectres produits par micrOMEGAs LZP (X-dim)– 50 GeV Astrophysique : P. Salati, R. Taillet 1 10 50 E (GeV) 0.1 Ec (GeV) E2.Ф (GeV.cm-2.s-1.sr-1) E3.Ф (GeV².cm-2.s-1.sr-1) E.Ф (cm-2.s-1.sr-1) γ e+ p AMS – 3 ans W+W- bb W+W- bb Sensibilité d’AMS02 à différents états finals

23 L’expérience Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) sur l’ISS
Annecy (LAPP), Grenoble (LPSC), Montpellier (LPTA) But : Mesure précise et à grande statistique du GeV au TeV du rayonnement cosmique chargé (gain de 3 à 4 ordres de grandeur). Mesure des spectres des e±, p±, 3,4He, B,C,9,10Be, élements Z<25 avec leur contenu isotopique. Mesure des gamma au-delà du GeV. Recherche d’Antimatière primordiale, et recherche indirecte de matière noire non-baryonique Instrument : Spectromètre magnétique supraconducteur Contributions : Calorimètre Electromagnétique (LAPP): Instrumentation, électronique front-end et déclenchement analogique incluant qualification spatiale, calculs FEA, assemblage, tests et analyse, intégration Imageur Cerenkov (LPSC): Etude radiateurs, électronique front-end et qualification, prototype et dessin de faisceaux d’ions, tests et analyse Système GPS (LPTA): Responsabilité complète. Topstar 3000 d’Alcatel. Tests, mise au point, intégration, et implantation du logiciel associé. Tous : Physique (matière noire, PBH, supersymétrie, noyaux, propagation dans la galaxie, …) Travaux à venir : Intégration générale (mai-sept. 2009). test en faisceau (oct. 2009). tests vide-thermique et EMI à l’ESTEC (nov./dec. 2009), envoi en Floride (Janv. 2010). Tests de préparation à l’envol (2010). Lancement programmé vol STS-134 le 16 septembre 2010 Equipes en 2009: Annecy (5 phys., 2 ITA), Grenoble (5 phys., 2 ITA), Montpellier (1 ITA, 1 Phys. maintenant à Paris) Calcul (CCPN, local): stockage 450 GB sur HPSS et 65 GB sur disque au CCPN (données test et production MC). Analyse de tests en faisceau et cosmiques faites localement. Demande au CNES: budget CDD et/ou Postdoc pour contribuer à la préparation de la physique, puis pour analyser les données dès la mise en orbite. J.P. VIALLE, LAPP/Annecy, Responsable du projet AMS en France

24 Notes: 1. Beam test, TVT & ESTEC, & KSC estimates include shipping to each facility, set-up & teardown, & prep for move to next facility. 2. Tracker is installed with the VC Pressurized. 3. Two shifts, 6 days/week operations in AMS Clean Room. Holidays are not included.

25 Science example: Search for antimatter
AMS The Big Bang theory requires matter and antimatter to be equally abundant at the beginning AMS will collect 2 billion nuclei Antimatter If no antimatter is found => there is no antimatter to the edge of the universe.

26 AMS-02 Antihelium Limits
Current antimatter searches are limited He/He (CL 95%) y06K301

27 Science example: The Origin of Dark Matter
~ 90% of the Universe is not visible, called Dark Matter Combined AMS-01 with other Data AMS02. 1 year Data taking Relative excess of positrons observed by AMS01 (2005) and recently by Pamela 11/2008 Could come from DM. Precise measurement and larger energy range required to understand the phenomenon The present state of knowledge suggests that a new particle is responsible for Dark Matter AMS will search for Dark Matter with unprecedented performances and statistics

28 Precision study of the properties of Cosmic Rays ii
Precision study of the properties of Cosmic Rays ii. Cosmic Ray confinement time (Projection)