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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
RC de « basse énergie » Rayonnement cosmique dimension spectrale inédite :
spectre de masse (composition)
Pertes + spallation
Échappement (diffusion)
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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
• 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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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
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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
Transition G/EG et domaine GZK
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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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
( AGASA data E− 20%)
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
( AGASA data E− 20%)
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
L’Observatoire Pierre Auger
Détection des gerbes atmosphériques
1) Particules secondaires au sol2) Fluorescence dans l’atmosphère
Détecteur hybride
47 M$, dont 10% pour la France
300 physiciens dont ~10% en France :IPNO, LPNHE, LAL, PCC/APC, LAO Besançon (INSU)
Seuil SD: 1018 eVHybride : 1017 eV
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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
Déploiement jusqu’à fin 2005
Premiers résultats à l’ICRC 2005
Acceptance intégrée ~ AGASA à fin 2004
Acceptance ~ 7000 à 9000 km2 sr
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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
Auger Nord
Atteindre une couverture complète du ciel en conservant le design hybride
Choix du site : 2005 (Utah ou Colorado) LoI --> proposal SAGENAP (2005) Déploiement visé : 2006 --> 2009
Design de base d’Auger Sud, avec Extension à basse énergie (+ TA) Extension 3000 km2 --> 10000 km2
Sensibilité accrue aux neutrinos R&D électronique lancée Hybridité renforcée ?
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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
EUSO : le défi !
Obs. Pierre Auger
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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
EUSO (à partir de 2010)
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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
De l’astronomie en regardant vers le sol !De l’astronomie en regardant vers le sol !
< Acceptance > ~ 71 000 km2 sr
Acceptance inst.: 608 000 km2 sr
18% (nuit sans lune)
65% (nuages)
cycle utile
Seuil : 5 1019 eV
Aspects physiques et techniques validés par l’ESA
Résoudre la question du lancement : navette --> HTV japonais
PCC/APC (Paris), LPSC (Grenoble)
Europe / USA / JaponCoût : 120 M$, dont France 10 M$ (consolidé)
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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
Triangulation OK
trajectoire reconstituée par le programme de triangulation pour un aéronef traversant le ciel
Nord
Sud
Ouest
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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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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E. Parizot (IPN Orsay) Prospective IN2P3/DAPNIA La Colle sur Loup
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)