d. bertrand 1expérience rayons cosmiques la physique des astro-particules

D. Bertrand 1Expérience rayons cosmiques

Expérience rayons cosmiques

La physique des astro-particules


Un peu d'histoire …

1927 Les rayons cosmiques sont observés dans une chambre brouillard

1932 Anderson découvre le positon

1937 Découverte du muon1938 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 DUMAND

1991 Fly's Eye détecte le rayon cosmique le plus énergétique1992 Expérience Baïkal 1993 Problème des solaires

1997 Oscillations atmosphérique

1999 Premiers résultats AMANDA2001 Oscillations e solaires

1912 Hess découvre les rayons cosmiques


L'échelle des distances1 parsec (pc) = 3.26 années lumières ~3x1013 kmpc

10-3

Diamètre du système solaire

109

Taille du super amas local (50 Mpc)

Horizon visible (univers : 4600 Mpc= 15 milliards al)

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

10-43 s1019 GeV

Barrière quantique gravit.

10-35 s1015GeV

Baryogenèse

10-11 s103GeV

Séparation EM/faible

10-6 s1 GeVProtons, neutrons

1 s1 MeVEléments lègers

400000 ans3000° K

Découplage dufonds diffus

Accrétiongravitationnelle

15 milliards années3° K

Systèmesolaire

L'époque de Planck

Transitiongrande unification

Transition de phaseélectro-faible

Transitionquark-hadron

Nucleosynthèse

Dominationmatière

Formationgalaxies

Aujourd'hui


Les messagers

10 1211 13 1514 1716 1918 20 2221

Log (E) eV

Neutrinos

Photons

ProtonsSole

il,

SN

1987A

astronomie astronomie UHE

Libres parcours moyens : 1 TeV 10 Mpc 1 PeV 1 Mpc (galaxie !)

Coupure GZK (interaction proton-CMB) : ~ 1020 eV

400 /cm3


Rayonscosmiques

TeV sources!

Rad

io

CM

B

Vis

ibe

GeV

-rays

/////////////////


1 particule /km2-année

1 particule /m2-année

1 particule /m2-sec

cheville

genou


Plasma clouds(stochastic energy gain)

V

Shock front

EE

ˆ ? 1v= 10

c

-( +1)dN=E

dE

=2.0

Le mécanisme d'accélération de Fermi

=1.7


L'accélérateur cosmique

La plupart des modèles supposent un trou noir et un disque d'accrétionL'accélération se produit près du trou noir ou dans le "jet"

Photo production :p + n +

:e

p D+s 0 D0 (10-4)+

+ : e : = 2 : 1 : 10-5


Le champ magnétique focalise …


Le Crabe : 4 juillet 10546.000 années lum. de la terre


Les sources à haute énergie

E ~ c B REnergie Facteur de Lorentz

masse

champ magnétique

Etoiles à neutrons; Trous noirs

~ 1; B ~ 1012 G; M ~ M

E > 1019 eV ? Quasars

~ 1; B ~ 103 G; M ~ 109 MR ~ M / c2

E ~ B M


Le diagramme de Hillas

B

R

E ~ c B RLe pulsar du Crabe

GRB 000301C

SNR Vela

M87

Centaure

NGC4038 NGC4039


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 champmagnétique terrestre


Les cascadesProduction de mésons

p+NN'+np+nn+n

Composante hadronique

Les mésons ± se désintègrent :

Composante muonique

Les mésons ° et se désintègrent :

° e e

Composante électromagnétique


Extension des cascades

Particule

Masse

MeV

Durée de vie

Libre parcours

g/cm2

Electron

0.5 stable

100

Muon 105 2 s 261

Pion 139 26 ns

113

Proton

938 stable

110

Neutron

939 12 min

136

Les différentes composantes se distinguent par leur longueur d'absorption dans l'atmosphère :

0

A

LI I e

Niveau de la mer :A = 1033 g/cm2


Extension des gerbesDépend de :• L'énergie• La nature des particules

3/ 4

56

1 0.95 1010

eNN GeV

Nombre total de muons :

0.96

0 63.9 10

10eNE GeV

Ne nombre de particules chargées :

1.25 2.50.751.25 1

12 1.25 320 320

N rr

Nombre de muons/m2:extension de la gerbe


Dispositif

Scintillateur

Photomultiplicateur

2 m

2 m

Inte

rnetDiscriminateurs

CoïncidenceMicroprocesseur

NB. Cables : basse tensionHaute tension dans le boîtier des PM's


ScintillateursParticule chargée traînée de molécules excitéesDésexcitation 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 dipolaire10-8 m

émission d'UV : ~340 nm10-4 m

émission dans le bleu : ~400 nm~1 m

Echelle approximative


Photomultiplicateurs

PhotocathodeFocalisation

Dynode

AccélérationSignal

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/sMaximum entre 400-440 nm


Forme du signal …

20ns

0.5 V ~5 VDiscrimination

Bruit noir (dark noise) : (1kHz) nécessité de coïncidence


Processeur…

Ethernet

Processeur RISC32 bits

Alimentation

Configuration

Mémoire0,5 Mbytes

Entrées(discriminateurs)

Logiquetraitement signal+coïncidences


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 !


Futur …

Réseau Ethernet

Synchronisation du temps

Ecoles différentes

Coïncidences sur une grande surfaceHAUTE ENERGIE !!!

GPS

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