mise à jour le 24 Octobre 2005

 

 

 

"QUAND LES PARTICULES TOMBENT DU CIEL
LES RAYONS COSMIQUES"

par CÉCILE ROUCELLE
Doctorante en Physique Nucléaire à Paris 7.

Vendredi 14 Octobre 2005
LPNHE    IN2P3 Fête de la Science Paris

 

 

 

Photos : JPM. Pour l'ambiance

 

 

BREF COMPTE RENDU

 

 

Cécile Roucelle est en plein dans son domaine, elle effectue une thèse sur les rayons cosmiques de haute énergie et nous espérons apprendre beaucoup de choses.

 

 

 

Les seuls messages de l'espace sont la lumière des étoiles et les rayons cosmiques, c'est pour cette raison que ces derniers sont intéressants à étudier.

 

QU'EST CE DONC UN RAYON COSMIQUE?

 

Les rayons cosmiques sont des particules stables (car elles ont voyagé longtemps et même des fois très longtemps) qui nous viennent du cosmos. Elles sont très rapides et de forte énergie.

 

Cela ne peut être que :

·        les électrons

·        les protons

·        des noyaux atomiques non naturellement radioactifs

·        les neutrinos

·        les photons

En effet pour nous parvenir de loin ces particules doivent etre stables  

C'est l'Autrichien Victor Hess qui le premier les a mis en évidence en 1912, il reçut le prix Nobel en 1936 à cet effet.

 

 

 

Mais c'est le Français Pierre Auger qui fit la découverte en 1938 des gerbes atmosphériques (en anglais electromagnetic air showers (EAS) ou atmospheric air shower) résultats de l'impact des particules les plus énergétiques avec les atomes de la haute atmosphère.

 

 

 

                   

 

                         Pierre Auger

 

 

 

 

 

 

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

 

IL Y A 100 MILLIONS DE NEUTRINOS/SEC/M2 QUI TRAVERSENT LA TERRE !!!!!

 

 

Comme on voit sur le graphique suivant (présentation IN2P3) les particules de faible énergie proviennent plutôt du Soleil, de moyenne énergie des super nova ce sont des phénomènes galactiques et des étoiles à neutrons,. Les particules de très hautes énergies correspondent aux sursauts gamma et aux collisions de galaxies. (énergie la plus élevée détectée : 1020 ev!!!) ce sont ici des phénomènes extra galactiques.

 

 

 

COMMENT DÉTECTER CES RAYONS COSMIQUES?

 

Les particules de basse énergie peuvent être détectées par satellite, elles sont relativement fréquentes : ordre de grandeur 1 particule par m2 et par seconde; les plus énergétiques qui atteignent la Terre sont de l'ordre de une particule par km2 et par siècle; donc il faut d'énormes surfaces de détecteurs pour les mettre en évidence.

 

Il existe une grande variété de détecteurs dépendant du type de particules à détecter.

 

 

Détecteurs sous terrains : comme le Laboratoire Sous terrain de Modane (LSM) situé sous 1700m de montagne au milieu du tunnel routier du Fréjus entre la France et l'Italie!! Son but en fait est d'être lui à l'abri des rayons cosmiques les moins énergétiques afin de s'intéresser seulement aux neutrinos.

 

Détecteurs sous marins : comme le projet Antarès, à 1000m de profondeur au large de Toulon.

 

ANTARES = Astronomy with A Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch

C’est un projet(CEA CNRS) pour installer dans le fond de la Méditerranée des détecteurs de neutrinos

À terme plus de 200 détecteurs doivent être immergés

 

Les neutrinos ne sont pas détectables facilement (euphémisme)

 

Dans le cas d’ANTARES les détecteurs sont dirigés VERS LE BAS car ils doivent détecter les neutrinos qui ont traversé la Terre et interagit avec elle (produit un muon lumineux). La mer protège aussi des cosmiques parasites

 

 

 

 

 

 

Détecteurs spatiaux : comme le projet GLAST = Gamma Ray Large Area Telescope en 2007.

 

Détecteurs au sol comme KASKADE à Karlsruhe (RFA) : 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.

Ou comme le système HESS (High Energy Stereoscopic System) localisé en Namibie.

 

MAIS LA GRANDE AFFAIRE C'EST L'OBSERVATOIRE PIERRE AUGER.

 

Ils doivent détecter les rayons cosmiques extrêmement énergétiques en augmentant la surface de réception.

Comme nous ne pouvons esperer en voir beaucoup (cf graphe montrant le flux en fonction de l'energie plus haut) nous devons avoir une surface de collection gigantesque (3000 km^2) pour avoir des informations sur une duree raisonnable. l'observatoire prendra des donnees pendant une dizaine d'annees!) 

 

L'Observatoire Auger est conçu pour la détection et l'étude, avec une précision sans précédent, des rayons cosmiques dont les énergies sont supérieures à 1019 eV. (c'est à dire au delà de la "cheville" (ankle en anglais) de la courbe précédente).

Cela correspond à des objets extrêmes comme des jets d'un trou noir super massif ou des produits de désintégration de particules qui se seraient formees immédiatement après le Big Bang.

(elles se forment juste apres à un moment où l'univers est assez chaud pour voir naitre des particules aussi lourdes , mais une fois formées restent dans l'univers a « vivre« jusqu'a ce qu'elles se désintegrent ou rencontrent une soeur ennemie avec laquelle elle s'annihilera.

 

Il doit comporter deux sites :

Un dans la pampa argentine (surface de 3000 km2).

Un dans le Colorado et

 

(dessin tiré de la présentation de l'IN2P3 citée en référence et que je vous conseille fortement de voir).

 

Il y a deux types de détecteurs : des cuves d'eau (1600!) équipées de détecteurs photo multiplicateurs (PM)pour les particules des gerbes (par effet Cerenkov : la lumière bleutée que l'on voit dans certaines centrales) et des télescopes (24, en fait 4 sites de 6 secteurs) détectant la fluorescence (excitation de N2) de l'atmosphère au passage de la gerbe.

 

L'observatoire vient d'être achevé et commence ses observations.

 

Nous attendons avec impatience les premiers résultats.

 

Et notre conférencière de conclure :

L'étude des rayons cosmiques est un terreau très fertile pour les physiciens car ils touchent une gamme d'énergie et de phénomènes très variés nécessitant la mise au point de toutes nouvelles techniques.

 

Mais surtout l'exploitation de ces nouvelles techniques permet d'avoir un nouveau regard sur l'univers! 

L'étude des rayons cosmiques met les physiciens aux prises avec des choses qu'ils ne connaissent pas encore: Au début du siècle dernier cela a permis de tourner leur regard vers les particules élémentaires et jeter ainsi les premieres bases de la physique des particules par exemple. 

Aujourd'hui avec H.E.S.S. (l'expérience de détection de rayons gamma) nous observons de nouveaux objets astrophysiques (ou des manifestations violentes jusqu'ici inconnues de certains objets). L''expérience Auger est également emblématique de cette avancée vers l'inconnu car elle nous emmène vers l'observation de messagers pour lesquels on n'a pas aujourd'hui  de modèles valides pour expliquer leurs origines. 

C'est toute cette éffervescence d'observations qui nous poussent vers de nouvelles connaissances et qui reste remarquable encore  aujourd'hui dans l'étude des rayons cosmiques, comme pour les premiers physiciens qui s'y sont interessés 

 

"Ces particules qui nous tombent du ciel " nous ont emmenés et nous emmenent encore vers tant de nouveaux domaines de la physique fondamentale. 

 

 

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN :

 

Les rayons cosmiques, définition encyclopédique en anglais.

 

Site sur les rayons cosmiques par les physiciens de Los Alamos en anglais : superbement fait et très clair.

 

Le projet Antares de détection des neutrinos sous la mer.

 

Quelques présentations format Power Point sur les rayons cosmiques:!

 

Les conférences Nepal de l'IN2P3 sur les RC avec description du projet Pierre Auger : superbe et en plus en français. 8MB

 

Très bon aussi cette présentation de B Revenu du GRECO/APC (Gravitation et Cosmologie de l'IAP et Astro Particule et Cosmologie de Paris 7) sur les rayons cosmiques à haute énergie. 6,25MB

 

Status report de l'observatoire Pierre Auger en date de l'été 2004 avec beaucoup de détails techniques. 16MB.

 

Le site de l'Observatoire Pierre Auger dans toutes les langues.

 

Présentation du projet de l'Observatoire Pierre Auger en français.

 

 

 

 

 

 

 

C'est tout pour aujourd'hui!

 

 

Bon ciel à tous

 

 

Jean Pierre Martin   www.planetastronomy.com