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Les Pulsars gamma avec GLAST
Poitiers,
le 8 décembre 2015
L’Astronomie des rayons gamma :
détection spatiale de particules
le satellite Fermi
David A. Smith
Centre d’Études Nucléaires de Bordeaux-Gradignan
(cenbg / in2p3 / cnrs)
7 ans d’observations du ciel en rayons gamma du GeV.
La voie lactée est brillante en g : rayons cosmiques + gaz, poussière p gX.
Les points dans le plan: surtout des pulsars.
En dehors du plan: surtout des noyaux actifs de galaxies.
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M31, une voisine de la Voie Lactée,
et qui la ressemble.
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LE SPECTRE ELECTROMAGNETIQUE La lumière : en même temps une onde et des petits ‘grains’ (= ‘photons’)
La lumière visible est une petite partie du spectre. Toute particule est aussi une onde.
electron volt = ‘eV’ ↑
keV MeV ↑ GeV ↑ TeV ↑
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pourquoi appeller ces rayons "gamma"?
• Marie Curie et al ont découvert les "rayonnements ionisants"
(circa 1900).
• Sans trop comprendre les différentes radioactivités, il les ont
appelées
a b g d
On sait aujourd'hui que a est un noyau d'Hélium ;
b et d sont des électrons, et g est un photon énergétique.
Les noms historiques sont restés.
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June 11, 2008
Formerly "GLAST"
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GBM 2nd instrument
Gamma-ray burst monitor
Large Area Telescope
30 MeV à 300 GeV
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Ce soir:
Détection spatiale de particules
• Détection de particules auprès d’un accélérateur
« comment on a découvert le quark Top »
• Télescopes de rayons gamma au sol
• Des détecteurs en orbite
« comment on filme le ciel en gammas »
David Smith en quelques étapes 0. Enfance et fac’ – Berkeley, Californie.
1. Thèse – construction du détecteur de
muons de CDF à Fermilab (Chicago).
2. Postdoc (Pise)
W± m±n
Z° mm
3. CNRS – Astronomie des rayons gamma.
Pulsars, et autres vestiges de supernovae.
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Anti-protons
(Découverte:
Berkeley, 1955.)
Protons
E = 1.8 TeV
E = mc²
m-
m
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Anti-protons
(Découverte:
Berkeley, 1955.)
Protons
E = 1.8 TeV
E = mc²
p
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V. Hess, 1912
"λεπτός" (leptos), “petit, mince“.
Particules soumises qu’à la force faible.
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Pour chaque particule produite, déterminer:
• énergie et direction
• espèce (muon, électron, pion, neutrino (!), photon, etc.)
Pour cela:
Des couches successives de détecteurs variés.
• D’abord, le moins de matériaux possible…
…suivi du maximum de matériel possible
Particules éphémères particules stables.
TRK
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Détection de particules
Idée de base:
• Libérer des électrons.
• Amplifier. Numériser. Enregistrer. Traiter.
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V. Hess, 1912
( Parenthèse: Découverte des rayons cosmiques)
• Becquerel découvre des substances ionisants.
• Wulf (1909) cherche d’autres avec son
« électromètre ».
• Le sol en contient.
La découverte:
• Wulf monte sur la tour Eiffel pour
s’éloigner du sol. Ça diminue moins que
prévu.
• Hess monte 5km en ballon. 4x plus fort!
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SVX (Silicon Vertex ) : Les mesons « beauté » désintègrent après peu de mm ou cm.
TRK (trajectographe) : les particules chargées ionisent le gaz. Des fils captent le
passage. Un champ magnétique intense induit courbure impulsion.
EM, HAD (‘calorimètres’ mesure de l’énergie) :Du plomb pour les électrons, de
l’acier pour les pions. En sandwiche avec scintillateurs plastiques lus par
photomultiplicateurs.
CMU (muons) : Seule particule détectable qui traverse b’coup de matière.
S’il manque des choses, c’était des neutrinos!
TRK
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Silicium? • Le silicium ultra-pure, dopé avec une trace de bore ou de phosphore,
devient un semi-conducteur.
• On en fait des transistors et des diodes, dont des diodes émettrices de
lumière (‘DEL’ = ‘LED’).
• Les ordinateurs et les téléphones portables en sont pleins à craquer.
• Vos appareils photo numériques et vos webcams ont des CCD (=Charge
Coupled Device), une autre application de la semi-conductivité du silicum. (Un photon de lumière visible dégage un électron, qui est transféré et enregistré.)
• Une particule chargée qui traverse du silicium libérera des électrons par
ionisation. Ils seront récoltés un peu comme pour le CCD (des pistes, au lieu de
carrés appelés "pixels"). C'est le principe du trajectographe à silicium.
transistor
diodes
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Calorimètres : énergie et direction des électrons et photons, ou des jets de quarks.
Sandwiche acier + plastique
photomultiplicateurs
Sandwiche plomb + plastique
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Chambres à muons: B’coup de m², derrière l’acier.
Idée des compteurs Geiger, raffinée par G.
Charpak avec F. Sauli.
2000 volts sur un fil fin comme un cheveu.
Gaz: argon-éthane. Position 3-D.
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Nous n’avons parlé que des détecteurs.
En aval:
• Electronique au m3
Amplificateurs
Conversions analogique numérique (digitale)
Circuits de déclenchement
Circuits de contrôle
Enregistrement
• Informatique en abondance
(longue liste ici)
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*Quasiment certainement.
Découverte du quark top à CDF à Fermilab. Probablement* pp W bt bW mn
jet jet
m W+
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Protons
Protons
Plus tard:
Découverte du « Higgs » à Genève. (Atlas, CMS au CERN comme CDF, en plus grands.)
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Ce soir:
Détection spatiale de particules
• Détection de particules auprès d’un accélérateur
« comment on a découvert le quark Top »
• Télescopes de rayons gamma au sol
• Des détecteurs en orbite
« comment on filme le ciel en gammas »
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V. Hess, 1912
E=mc² en action!
Dans l'espace: des particules
(protons et autres noyaux d’atomes, et électrons,
et de rares gammas) avec des
vitesses proches de celle de
la lumière, "c".
L'atmosphère nous protège.
Des m± (et e±, et autres) arrivent au
sol.
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Que veut dire "cascade de particules" ?
Un rayon cosmique
Un atome d'air (électrons, protons et neutrons.
Quarks!)
Nouvelles particules
(pions, muons, kaons,
électrons, photons…)
E=mc² en action
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Lumière Tcherenkov • Une particule chargée qui va plus vite que la lumière dans un milieu
(v > c/n) crée une onde de choc électromagnétique.
• Une belle lumière bleue.
• Les télescopes de rayons gamma la captent.
Analogie avec le son…
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Thémis
CAT
CELESTE
CELESTE
Heliostat i :
Ai(t)
g photon
Electromagnetic shower :
e+, e- g
Cherenkov photons
Tower
1998-2004:
seuls au monde entre 10 et 100 GeV.
(Près de Font Romeu, Pyrénées Orientales)
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photomultiplicateurs
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CLUE, La Palma, Îles Canaries (circa 1994)
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Au lieu de photomultiplicateurs,
nous avons inventé des chambres
à fil sensibles à la lumière UV.
2015: HESS
2020: CTA
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Ce soir:
Détection spatiale de particules
• Détection de particules auprès d’un accélérateur
« comment on a découvert le quark Top »
• Télescopes de rayons gamma au sol
• Des détecteurs en orbite
« comment on filme le ciel en gammas »
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Détection de rayons gamma
Idée de base:
g e+e- en présence de matière, pour Eg > 2mec²
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Principe du Fermi (GLAST) LAT
• Le photon gamma diffuse sur un atome et crée électron-positon.
• Les traces des électrons-positons mesurées par un détecteur en silicium.
• L’énergie mesurée avec des cristaux de CsI et des photodiodes.
• Le poids totale (3 tonnes) limite la superficie. Background rejection:
Anti-coincidence
Detectors
Energy: Calorimeter
Photon Direction:
Silicon strip Tracker
1.8 m
LAT = Large Area Telescope
= télescope à grande surface
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Un module du calorimètre dans la salle propre du Naval Research Laboratory (Washington D.C.).
Structure mécanique en fibres de carbone conçue et réalisée à l’Ecole Polytechnique (In2p3-CNRS).
Caractérisation sous faisceau des cristaux CsI par le CENBG.
Completing the Large Area Telescope, Stanford, California, November 2005.
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Riccardo "Mr. FRED" Giannitrapani
Rayons cosmiques ("muons atmosphériques") dans le Fermi LAT (au sol!)
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16 tower LAT
rate: ~ 500 Hz
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• Des électrons-positons qui ionisent un détecteur en silicium.
• L’énergie de la cascade électron-photon mesurée avec la lumière de
scintillation de cristaux de CsI, et des photodiodes.
• Les rayons cosmiques chargés signalés dans un bouclier de scintillateur
en plastic avec des photomultiplicateurs.
Background rejection:
Anti-coincidence
Detectors
Energy: Calorimeter
Photon Direction:
Silicon strip Tracker
1.8 m
Le plus grand détecteur silicium jamais réalisé.
Crée pour détecter les photons, le
Fermi LAT a été détourné pour détecter
aussi les électrons cosmiques.
i) On enlève le véto des chargées
ii) On soigne le traitement de la
cascade électron-gamma.
April 2009
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GLAST rebaptisé Fermi par la
NASA, 26 August 2008
Enrico Fermi (1901-1954), physicien italien
émigré aux Etats-Unis. Prix Nobel 1938.
Parmi ses nombreuses découvertes:
• Explication de la radioactivité b
(avec prédiction du W et n).
• Mécanisme d’accélération des rayons
cosmiques dans les vestiges de supernovae
• « bosons » et « fermions »
• et caetera, et caetera.
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FIN – merci pour votre attention!
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Nançay est un formidable atout français et a beaucoup aidé Fermi.
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3FGL 3rd LAT source catalog
Acero et al. ApJS 218, 23 (2015)
http://arxiv.org/abs/1501.02003 3033 total sources (>4s)
Red: Firm I.D. (232, mostly pulsars)
Blue: ‘Association’ (> ⅓ of sources, mostly blazars.)
Black: No I.D. ( < ~⅓ of sources)
Un Id’s == Gold mine!
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(electron-volt = 1.6x10-12 erg) ~eV keV,MeV,GeV,TeV
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• Fission d’éléments lourds en plus légers
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V. Hess, 1912
Crée dans le big bang
Crées dans les étoiles comme le soleil
Etoiles >5x la masse du soleil
Tout ce qui est plus lourd que le fer (ou nickel et cobalt) est crée
dans les explosions d’étoiles Supernova!
