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.