L’observatoire Pierre Auger fête ses 20 ans

Image composite de Centaurus A, une des galaxies à noyau actif les plus proches de nous avec un trou noir central et des jets de plasma susceptibles d’accélérer des rayons cosmiques. X-ray: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.; Submillimeter: MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.; Optical: ESO/WFI

Les scientifiques de l’Observatoire Pierre Auger,  le plus grand détecteur de rayons cosmiques au monde, célébreront les vingt ans de l’Observatoire à Malargüe, province de Mendoza, en Argentine, du 14 au 16 novembre 2019. Les célébrations débuteront par un symposium qui comprendra des présentations sur les origines du projet (le CNRS est l’un des fondateurs) et présentera les domaines de recherche couverts par l’Observatoire. Le 16 novembre aura lieu une cérémonie mettant en valeur le rôle de l’Observatoire Pierre Auger et réunissant des personnalités nationales et internationales, ayant soutenu le projet.

L’Observatoire Pierre Auger couvre une superficie de 3000 km2 dans la pampa argentine, par 35º de latitude sud et 65º de longitude ouest, au pied de la cordillère des Andes, à proximité de la ville de Malargüe. Il est conçu pour étudier les rayons cosmiques aux plus hautes énergies. Ce sont les particules les plus puissantes de l’Univers : leur énergie dépasse les 1020 (des centaines de milliards de milliards) électronvolts (eV). En comparaison, les particules étudiées dans les plus grands accélérateurs, y compris celles accélérées par le LHC au CERN à Genève, sont dix millions de fois moins énergétiques. D’où viennent-elles ? Quelle est leur nature ? Comment atteignent-elles des énergies aussi extrêmes ? L’objectif de l’Observatoire Pierre Auger est d’apporter des réponses à ces questions.

L’étude des rayons cosmiques d’ultra haute énergie est difficile car il faut faire face à des défis expérimentaux. En effet, à ces énergies, leur flux est trop faible pour permettre leur détection directe au dessus de l’atmosphère. Ces particules cosmiques sont donc observées en analysant les cascades de milliards de particules secondaires qu’elles génèrent dans l’atmosphère et que l’on nomme « grandes gerbes atmosphériques ». Leur flux ne dépassant pas 1/km2 /an au-delà de 1019 eV, il est nécessaire de couvrir des surfaces de détection gigantesques pour collecter un grand nombre d’événements.

Représentation  artistique  d’une  cascade  de  particules générée par un rayons cosmique d’ultra haute énergie. Credit: ASPERA/Novapix/L.Bret

L’Observatoire Pierre Auger, ainsi nommé en l’honneur du physicien français ayant étudié les grandes gerbes atmosphériques dès 1938, est exploité par la collaboration éponyme, rassemblant plus de 400 scientifiques de 17 pays. Sa construction a débuté en 2000. La plaine des hauts plateaux de la Pampa Amarilla autour de Malargüe est un emplacement idéal, bénéficiant d’une atmosphère claire;  l’altitude d’environ 1400 m permet de détecter les gerbes avant leur extinction. Outre sa taille exceptionnelle, l’Observatoire allie deux techniques complémentaires de détection des grandes gerbes atmosphériques.

  • un réseau de 1660 détecteurs de particules, des cuves à effet Cherenkov contenant chacune 12 tonnes d’eau, afin d’échantillonner le profil latéral des gerbes, c’est-à-dire le nombre de particules traversant une surface donnée à une certaine distance du coeur de la gerbe,
  • 27 télescopes à fluorescence entourant le réseau, détectant la faible lumière ultraviolette émise par les molécules d’azote de l’atmosphère lors du passage des gerbes, afin d’échantillonner leur profil longitudinal, c’est-à-dire le nombre de particules en fonction de l’altitude.

Un  des  bâtiments  abritant  6  télescopes  à fluorescence. ©  CNRS  Photothèque  /  Céline  ANAYA- GAUTIER

L’utilisation conjointe de ces deux ensembles de détection a permis à l’Observatoire Pierre Auger de franchir un saut autant qualitatif que quantitatif qui le place à la pointe des recherches dans ce domaine d’étude.  Après une quinzaine d’année de fonctionnement, les analyses bénéficient d’une statistique importante et d’une connaissance de plus en plus précise des mesures réalisées. Cela permet d’obtenir, aujourd’hui, des résultats remarquables et des avancées scientifiques dans la compréhension des phénomènes de haute énergie liés aux processus les plus violents de l’univers.

La mesure du spectre des rayons cosmiques réalisée par l’Observatoire Pierre Auger couvre une grande gamme d’énergie, allant de 3 1016 à plus de 1020 eV. Plusieurs particularités ont été décelées comme par exemple la suppression brutale du flux pour une énergie supérieure à  5 1019 eV. Des limites sur les flux de photons et de neutrinos d’ultra haute énergie ont permis d’éliminer la plupart des modèles pour lesquels les rayons les plus énergétiques sont les produits de décroissance de (hypothétiques) particules très massives. L’étude de la répartition des directions d’arrivée des rayons cosmiques a fourni la preuve que les plus énergétiques viennent d’au-delà de notre galaxie, et les nombreux résultats récents sont porteurs d’espoir quant à la possibilité de mieux comprendre l’origine de ces particules cosmiques d’énergie incroyablement élevée. Pourtant, leurs sources n’ont jusqu’alors pas été identifiées de façon formelle.

Un détecteur de particules à effet Cherenkov (cuve à eau de 3,6m de diamètre) © CNRS Photothèque / Céline ANAYA-GAUTIER

Le projet AugerPrime, conçu pour améliorer les performances de l’Observatoire, permettra d’apporter les éléments de réponses indispensables pour élucider cette question. L’élément clé est l’ajout de détecteurs à scintillation sur chaque cuve à eau. Pour traiter les informations délivrées par ces deux types de détecteurs, une nouvelle électronique d’acquisition et de contrôle est développée par  la collaboration Pierre Auger et les labos impliqués (à l’exception des cartes, construites dans une société privée). Les nouveaux détecteurs sont en cours d’installation sur le site de l’Observatoire,  plusieurs sont déjà en fonctionnement.

Télescope de fluorescence, avec son miroir d’une surface de 13 m2 et sa caméra de 440 pixels constitués de photomultiplicateurs © CNRS Photothèque / Céline ANAYA- GAUTIER

Initialement, des laboratoires CNRS de l’IN2P3 et de l’INSU étaient impliqués dans le projet mais, depuis une quinzaine d’années, seuls des laboratoires de l’IN2P3 sont associés : le groupe du LPNHE a été particulièrement actif dès la phase de création du projet. La France a clairement joué un rôle majeur dans la conception et dans la construction de cet observatoire hors normes via le PCC Collège de France (devenu l’APC par la suite) et le LTFB (lNSU) lors du démarrage du projet puis avec le LAL et l’IPNO en 2000.

Les laboratoires français ont notamment réalisé l’essentiel de l’électronique des détecteurs Cherenkov, ainsi que les algorithmes et programmes informatiques essentiels au fonctionnement de l’Observatoire. Le CC-IN2P3 est devenu dès le début du projet le lieu de stockage officiel des données d’Auger ainsi que la première plateforme de simulation. Les laboratoires du LPSC et Subatech ont rejoint respectivement  la collaboration en 2006 et 2007 et ont pris en charge des responsabilités importantes dans le contrôle et le suivi du fonctionnement de l’ensemble de l’Observatoire, et la construction du premier réseau de radio-détection sur le site. Actuellement, trois laboratoires de l’IN2P3 sont membres de la collaboration Pierre Auger : le LPNHE, l’IPNO, le LPSC.  Ces deux derniers participent activement à la réalisation du projet AugerPrime, tant pour la construction des détecteurs à scintillation  que pour le développement de la nouvelle électronique.

Les chercheurs de l’IN2P3 se sont toujours fortement impliqués dans l’analyse des données et leur interprétation et ont joué un rôle très important dans l’obtention de résultats de grande qualité. Les objectifs de physique des chercheurs français sont centrés sur ceux qui ont motivé leur activité de recherche depuis les 15 dernières années. Ils poursuivent leurs études de la distribution des directions d’arrivée des rayons cosmiques, et celles concernant leur spectre en énergie, sur toute la gamme d’énergie accessible, et exploiteront de façon optimale les informations rendues disponibles par l’adjonction des nouveaux détecteurs.

 

LHC : Large Hadron Collider

CERN : Laboratoire européen pour la physique des particules

LPNHE : Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies

APC : Laboratoire Astroparticule & Cosmologie

LAL : Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire

IPNO : Institut de Physique Nucléaire d’Orsay

CC-IN2P3 : Centre de Calcul de l’IN2P3

LPSC : Laboratoire de Physique Subatomique & Cosmologie

Subatech : Laboratoire de Physique Subatomique et des technologies associées

LTFB : Laboratoire Temps Fréquence de Besançon

 

http://www.auger.org/

https://www.auger.org/index.php/science/journal-articles

https://www.auger.org/index.php/observatory/20th-anniversary