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Les fantasmes

Pourquoi les étudier ? Quelle est leur nature ? D’où viennent-ils ? Comment les détecter ?

Les rayons cosmiques

CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T1

Une « expérience » en astrophysique

Ondes électromagnétiques

Rayons cosmiques

Mess

ag

ers

Un phénomène (violent) cosmique


Les rayons cosmiques sont des particules qui nous viennent du cosmos. Ils bombardent la Terre en permanence.

Comme la lumière en astronomie, les rayons cosmiques sont l’un des rares moyens d’étudier les phénomènes astrophysiques qui leur ont donné naissance.

Pourquoi étudier les rayons cosmiques ?


Qu’est-ce qu’une onde électromagnétique ?

Tout phénomène cosmique violent est source d’ondes électromagnétiques détectables.

Visible : télescopes (astronomie optique)

Ondes radio : radio-télescopesTVFM

AM

Charges en mouvement

Ondeélectromagnétique


Qu’est-ce qu’un rayon cosmique ?

Un rayon cosmique est une particule stable. Les particules stables connues sont en tout petit nombre :

neutrinos photons (grains de lumière) électrons protons (noyaux d’hydrogène) et autres noyaux atomiques

Noyau atomique : assemblage de nucléons (proton ou neutron)


Le spectre d’énergie et le flux

Énergie (eV)

Flux

1010 1015 1020

Satellites

Détecteursau sol

Surface desdétecteurs

1 m2 (10-6 km2)

100 000 m2 (0,1 km2)

1 particule par m2 par seconde

1 particule par m2 par an

1 particule par km2 par an

1 particule par km2 par siècle 3.109 m2 (3000 km2)


Échelle d’énergie

ZeV (zeta)

EeV (exa)

GeV (giga)

PeV (peta)

TeV (tera)

MeV (méga)

keV (kilo)

eV (électron-volt)

1021

1018

1015

1012

103

109

106

1Pile à 1 Euro

Tube TV

Accélérateur électrostatiqueRéacteur nucléaire

Synchrocyclotron

Synchrotron(LHC : 1,5 milliard d’Euros)

SupernovaeÉtoiles à neutrons

Noyaux actifs de galaxies

Rayon cosmique le plusénergétique observé

Limite (?) technologie

humaine

???


L’origine des rayons cosmiques

Soleil(neutrinos des réactions thermonucléaires, électrons)

Phénomènes galactiques(supernovae, étoiles àneutrons…)

Phénomènes extra-galactiques(collisions de galaxies, sursauts gamma, galaxies à noyaux actifs…)

?????

Énergie (eV)

Flux

1010 1015 1020

1 particule par m2 par seconde

1 particule par m2 par an

1 particule par km2 par an

1 particule par km2 par siècle

Tout phénomène violent peut produire des particules, lesquelles, si elles sont chargées, peuvent être accélérées par des champs électromagnétiques.


Les énergies ultimes : le mystère

Énergie énorme Origine totalement mystérieuse Seulement 20 événements similaires observés en 40 ansNouvelle unité proposée :

50 joules = 1 tyson

Deux voies principales d’exploration

Les deux phénomènes les plusviolents (probablement) de l’Univers : Les galaxies à noyaux actifs Les sursauts gamma

La désintégration de particules supermassives créées quelque 10-35 seconde après le Big Bang

Le rayon cosmique le plus énergétique :3.1020 eV (50 joules)


Les noyaux actifs de galaxieLe centre de certaines galaxies est occupé par un trou noir de très grande masse qui peut jouer le rôle d’une machine accélératrice très puissante. On les appelle des « galaxies actives ». Elles sont caractérisées par l’émission d’un jet de particules énergétiques partant du centre.

À des centaines d’années-lumière du centre, ces jets frappent la matière interstellaire créant des « lobes » caractéristiques des radio-galaxies (galaxies émettant de puissantes ondes radio détectables avec des antennes géantes).


Interprétation

Slide from Pr W. Hofmann

Interprétation

Trou noir de100 milliards de masses solaires

Faisceau de matière à99% de la vitesse dela lumière, neutrinos,

photons

Détecteur

Noyau

Une galaxie active

Lobes

Un accélérateur cosmique :

Explosions les plus violentes depuis le BigBang Fréquents (environ un/jour) Très brefs (quelques secondes à quelques minutes) Mécanisme inconnu (fusion d’une étoile à neutrons et d’un trou noir ???) Découverts dans les années 60 par les satellites espions militaires américains VELA

Vue d’artiste d’un sursaut gamma etdu satellite SWIFT chasseur de sursauts (lancement fin 2003)

les sursauts gamma


La détection des sursauts gamma

Carte du ciel en sursautsgamma vue par le satellite BATSE

Exemple d’un sursaut gamma se déroulant dans le temps : durée de l’explosion = 2 secondes


La désintégration de particules supermassives

Big Bang

Temps : 10-35 secondeTaille : 10 cmTempérature : 1028 K

GUT

Époque de la Grande UnificationUnivers assez chaud pour créerdes particules de masse 1025 eV

Temps : 15 milliardsd’années (aujourd’hui)


Les détecteurs

On utilise des détecteurs de particules adaptés aux conditions particulières d’observation. une grande variété de détecteurs en fonction de la nature et de l’énergie des rayons cosmiques

Les détecteurs de rayons cosmiques


… embarqués sur des satellites

Deux détecteurs prévus sur la Station Orbitale Internationale ISS :

EUSO pour les ultra-hautes énergies

AMS pour les très basses énergies


… sous terre

Le laboratoire souterrain de Modane, installé sous 1700 mètres de montagne, est utilisé pour la détection des rayons cosmiques très pénétrants (neutrinos, WIMPs...).


… sous la merLe détecteur ANTARES plongé dans la Méditerranée à 1000 m de profondeur au large de Toulon

On utilise le sous-marin Nautile de l’IFREMER pour le déploiement des « tours ».


… et même sous la glace

Le détecteur IceCube, en construction au Pôle Sud sous la glace de l’Antarctique (4800 phototubes situés entre 1400 et 2400 mètres, un volume de 1 km3)


La détection au sol (en surface)

Les rayons cosmiques les plus énergétiques pénètrent dans l’atmosphère terrestre : une réaction en chaîne appelée « gerbe atmosphérique ».

Observation par un détecteur de surface pour :- mesurer certaines propriétés de la gerbe- en déduire les caractéristiques du rayon cosmique primaire.

Une gerbe de 1019 eV12 km de haut, 10 km2 de surface au sol,100 milliards de particules secondaires

5 km

12 km


Un « réseau de surface » : KASCADE

À Karlsruhe (Allemagne)Surface de 40000 m2 pour l’étude de rayons cosmiques d’énergies comprises entre 1016 et 1018 eV. Une centaine par jour sont détectés par ce réseau.


Une gerbeatmosphérique

kascade+gerbe

Rayon cosmique primaire

Première interaction

Interactions successivesen cascade

Détecteurs

Les rayons cosmiques d’énergies extrêmes sont très rares : une particule par km2 et par siècle au-delà de 1020 eV !

Pour les étudier, il faut construire un détecteur géant : plusieurs milliers de km2 pour détecter quelques dizaines de particules par an.

C’est l’idée extravagante proposée en 1992 par Cronin et Watson.

James W. Cronin de l’université de Chicago (USA) et Prix Nobel, et Alan A.Watson de l’université de Leeds (Grande Bretagne), Les promoteurs de l ’Observatoire Pierre Auger

Cronin-Watson

L’Observatoire Pierre Auger


Principe de fonctionnement de l’Observatoire Auger

Cuves remplies de12 tonnes d’eau pour

la détection des particules de la gerbe

Télescope pour la détection de la lumière

de fluorescence produite par les particules de la

gerbe

Grandes gerbes atmosphériques

part

icul

epr

imai

re

Particule primaire

fragment

lumière de fluorescence

lum

ière Ch

erenk

ov


La taille de l’Observatoire Auger

Evry

Pontoise

Melun

VersaillesParis

Ile-de-France

Extrême rareté des rayons cosmiques d’énergies « ultimes » : 1 par km2 par siècle déploiement de 1600 cuves et 24 télescopes sur 3000 km2

Observatoire Auger


Le site de l’Observatoire Auger

MalargüeProvince de Mendoza

Argentine

Choix du site : 3000 km2 peu habités site plat atmosphère pure et climat ensoleillé ville proche et accessible

Cuve détectrice au pied des Andes


Le quotidien à Malargüe


La suite ? EUSO en 2007

Si le spectre continue au-delà de 1021 eV,il faudra couvrir des volumes encore plus grands observation des gerbes atmosphériques par le détecteur EUSO à partir de 2007, depuis la station orbitale internationale ISS.


Conclusion

« C’est peut-être la découverte du siècle ! Cela dépend évidemment de jusqu’où ça descend. »

20 événements

L’origine de la vingtaine de rayons cosmiques d’énergies extrêmes observés depuis 40 ans est un mystère.

La solution de ce mystère, ouvrira des fenêtres sur des paysages encore inconnus...

...sur un instant infiniment proche des origines de notre univers ? ...sur la modification de certaines lois de la physique ? ...sur l’existence de nouvelles particules inobservables autrement ? ...sur les phénomènes les plus violents de l’univers ? ...ou tout simplement sur l’inattendu !


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