11-15 octobre 2004La Colle sur Loup Colloque de prospective IN2P3/DAPNIA Le Rayonnement Cosmique Des trésors physiques à toutes les énergies AMS / Auger

11-15 octobre 2004La Colle sur Loup Colloque de prospective IN2P3/DAPNIA

Le Rayonnement Cosmique

Des trésors physiques à toutes les énergies

AMS / Auger / EUSO… radiodétection

Vers l’astronomie RC

Etienne Parizot (IPN Orsay)

Physique et astrophysique des sources énergétiques:des photons aux particules

Groupe de travail :

Paschal Coyle, Bernard Degrange, Philippe Goret, Isabelle Grenier, Dy-holm Koang, Etienne Parizot, Eric Plagnol, Sylvie Rosier Lees, Tiina Suomijärvi, Sylvaine Turck-Chièse, Pascal Vincent

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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup

Un phénomène universel inattendu

x = 2.7

x = 3.0

x = 2.7 GZK

genou

propagation

modulation

transition G/EG

sources indiv.

AMS Kascade+ Grande

Auger+N+TA

EUSO

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RC de « basse énergie » Rayonnement cosmique dimension spectrale inédite :

spectre de masse (composition)

Pertes + spallation

Échappement (diffusion)

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AMS : Alpha Magnetic Spectrometer

16 pays, 50 labos IN2P3/CNRS:

LAPP Annecy LPSC Grenoble GAM Montpellier

Coût 1.4 M€ 2007-2011 (+ 2019)

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• Transition Radiation Detector. 20 planes

•Rich: Ring Imaging Cerenkov detector

•Time of Flight. 4 planes of scintillating counters

•Double-sided Si strip tracker planes inside superconducting magnet. 8 Layers

•3D Electromagnetic calorimeter

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Mesure précise de e±, , p±, 3,4He, B, C, 9, 10Be, tout noyau jusqu’à Z ~ 30 tous isotopes jusqu’à A<~12 En 1 anEn 6 mois

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Les fits sont meilleurs avec un signal SUSY (2/d.o.f. = 1.34 et 1.38 au lieu de 2.33 avec le background RC seul),

anti-p, anti-D, e+, Recherche de matière noire :

Fraction de positons : e+/(e- + e+)

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Les fits sont meilleurs avec un signal SUSY (2/d.o.f. = 1.34 et 1.38 au lieu de 2.33 avec le background RC seul),

anti-p, anti-D, e+, Recherche de matière noire :

Fraction de positons : e+/(e- + e+)

1 an avec AMS

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Spectre des rayons cosmiques

x = 2.7

x = 3.0

x = 2.7 GZK

genou

propagation

modulation

transition G/EG

sources indiv.

AMS Kascade+ Kas. Gr.

Auger+N+TA

EUSO

10


Transition G/EG et domaine GZK

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Nouvellephysique ?

Spectre « attendu » des RCUEs

0,1

1

10

18 18,5 19 19,5 20 20,5

uniform distribution, α = 2.6

( AGASA data E− 20%)

1 HiRes Monocular

log10

E (eV)

protons only

CMB

pionE

E’Effet GZK

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Les coupures GZK

Un travail théorique important a permis de dépasser la vision naïve d’une coupure GZK universelle : Distribution des sources Spectre source (loi de puissance, Emax)

Sources les plus proches Rôle du champ magnétique Présence de noyaux Spectres de sources individuelles ! Etc.

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10 31

10 32

10 33

10 100 1000

Energy (in EeV)

Φ

(E)

× E3 (∝EeV-1cm-2s

-1sr-1)

no magnetic field

(with uniform sources from 10 to 1000 Mpc)

Influence du champ magnétiqueInfluence du champ magnétique

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10 31

10 32

10 33

10 100 1000

Energy (in EeV)

Φ

(E)

× E3 (∝EeV-1cm-2s

-1sr-1)

no magnetic field

(with uniform sources from 10 to 1000 Mpc)

fully magnetized universe(B = 300 nG)

Horizon magnétique !Horizon magnétique !

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10 5

10 6

10 7

10 100 1000

E3Φ( )E

( )Energy EeV

source density n times larger < 30 for D Mpc

235

7

10

1

Surdensité locale de sourcesSurdensité locale de sources

Couverture complète du ciel !

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Y a-t-il des noyaux parmi les RCUE ?

0,1

1

10

18 18,5 19 19,5 20 20,5

uniform distribution, α = 2.6 with AGASA statistics


1 HiRes Monocular

log10

E (eV)

protons only

0,1

1

10

18 18,5 19 19,5 20 20,5

uniform distribution, α = 2.3 with AGASA statistics


1 HiRes Monocular

log10

E (eV)

protons and nucleiE

max(p) = 3 10

20 eV

Interprétation de la « cheville » spectre source et accélération

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Stratégie pour l’avenir Exploiter au maximum les 3 dimensions spectrales :

Spectre d’énergie Composition Distribution angulaire

Vers l’astronomie RC : on y est peut-être déjà ! Dans ce cas, la Terre est en sortie d’un spectrographe !

Principale difficulté : augmenter la statistique ! En nb d’événements : Auger, EUSO En nb de sources et en couverture : Auger Nord, EUSO

+ Calibration croisée, hybridité…

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L’Observatoire Pierre Auger

Détection des gerbes atmosphériques

1) Particules secondaires au sol2) Fluorescence dans l’atmosphère

Détecteur hybride

47 M$, dont 10% pour la France

300 physiciens dont ~10% en France :IPNO, LPNHE, LAL, PCC/APC, LAO Besançon (INSU)

Seuil SD: 1018 eVHybride : 1017 eV

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Déploiement jusqu’à fin 2005

Premiers résultats à l’ICRC 2005

Acceptance intégrée ~ AGASA à fin 2004

Acceptance ~ 7000 à 9000 km2 sr

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Auger Nord

Atteindre une couverture complète du ciel en conservant le design hybride

Choix du site : 2005 (Utah ou Colorado) LoI --> proposal SAGENAP (2005) Déploiement visé : 2006 --> 2009

Design de base d’Auger Sud, avec Extension à basse énergie (+ TA) Extension 3000 km2 --> 10000 km2

Sensibilité accrue aux neutrinos R&D électronique lancée Hybridité renforcée ?

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EUSO : le défi !

Obs. Pierre Auger

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EUSO (à partir de 2010)

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De l’astronomie en regardant vers le sol !De l’astronomie en regardant vers le sol !

< Acceptance > ~ 71 000 km2 sr

Acceptance inst.: 608 000 km2 sr

18% (nuit sans lune)

65% (nuages)

cycle utile

Seuil : 5 1019 eV

Aspects physiques et techniques validés par l’ESA

Résoudre la question du lancement : navette --> HTV japonais

PCC/APC (Paris), LPSC (Grenoble)

Europe / USA / JaponCoût : 120 M$, dont France 10 M$ (consolidé)

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Radiodétection des gerbes

contribution du courant transverse

contribution de l’excès de charge (excès de charge = 10 %)

E(V/m)

t(s)

t(s)

E(V/m)

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CODALEMA(à Nancay)

SUBATECH NantesObs. de Paris-Meudon, Nançay (INSU)LAL Orsay

Une station Le conteneur “Acquisition”

L’électronique d’acquisition

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Coincidences(4 scintillateurs+ 3 à 6 antennes)

Filtrage numérique des signaux ADC dans la bande 37-70 MHz

Coincidences

Taux d’évts antennes exploitables ~ 1 evt/7h (19 evts pdt 132,7h) seuil Eincident ~ 2 1016 eV Amplitudes observées des

champs électriques : ≥ 4µV/m (37-70 MHz)

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Triangulation OK

trajectoire reconstituée par le programme de triangulation pour un aéronef traversant le ciel

Nord

Sud

Ouest

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Enjeux

Maîtrise des conditions de propagation (confinement, ré-accélération, diffusion, champs magnétiques, environnement local…)

Détection d’une signature de la matière noire

GCR

Compréhension du phénomène « rayons cosmiques » à toutes les énergies

Nouvelle physique dans le domaine GZK ? Mesure de « la » coupure GZK --> physique et astrophysique des sources, de la

propagation, du champ magnétique, etc.

RCUE

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Stratégie

Augmenter la statistique --> à terme, aller dans l’espace

Couverture complète du ciel

Poursuivre l’étude de la radiodétection

Intégrer l’étude de toutes les régions du spectre : (basse E, E intermédiaires, Genou, Cheville, UHE)

Documents

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