Saviez-vous que vous vivez dans un calorimètre ?

16.02.2015 | par Pierre Brun | Non classé

Pour détecter les particules haute énergie produites dans les accélérateurs de particules, et pour mesurer l’énergie de certaines d’entre elles, nous utilisons des détecteurs appelés calorimètres. Par exemple pour l’étude des photons de haute énergie, comme ceux qui ont été détectés pour mettre en évidence le boson de Higgs (dont nous ne manquerons pas de reparler ici) l’élément central est le calorimètre électromagnétique. Dans ce détecteur les photons sont détruits en produisant une myriade de particules secondaires. Elles se multiplient en se partageant l’énergie initiale, jusqu’au point où le processus s’épuise faute d’énergie disponible à distribuer. Une telle cascade est appelée une gerbe électromagnétique car dans le cas des photons, elle est constituée exclusivement d’électrons et de positons. Le principe de la mesure consiste à contenir la cascade dans un milieu à la fois dense et permettant l’observation des traces des particules secondaires. Il est par exemple possible d’utiliser des alternances de plomb et d’un matériau scintillant. Un tel dispositif permet d’estimer l’énergie du photon à l’origine de la cascade et d’en mesurer la direction d’arrivée. En effet, une gerbe électromagnétique est très collimée en raison de la grande impulsion initiale du photon, comme la simulation suivante peut le montrer.

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Mais alors quel rapport avec les astroparticules, dont je suis supposé vous parler dans ce blog ? En fait de tels calorimètres sont utilisés pour l’observation du ciel! Nous avons l'habitude d’observer la sphère céleste en lumière visible, avec nos yeux, mais cela fait déjà longtemps que les astronomes se sont posés la question de savoir ce à quoi le ciel ressemblerait si nous avions des yeux sensibles à d’autres gammes de la lumière: radio, micro-ondes, infra-rouge, ultra-violets, rayons X, rayons gamma. Il s’agit dans tous les cas de photons, d’énergies de plus en plus grandes, ils se propagent en ligne droite dans l’univers et permettent par conséquent de faire de l’astronomie. Pour ce qui est des photons aux plus hautes énergies, les rayons gamma, il est possible de les observer précisément avec un calorimètre. Le satellite Fermi comprend un calorimètre électromagnétique, qui permet de contenir les cascades électromagnétiques, d’en mesurer l’énergie et de reconstruire la direction du photon qui en est à l’origine. La première photo ci-dessous montre le détecteur Fermi dans le nez de la fusée Delta de la NASA qui l’a mis en orbite en 2008, et la seconde un schéma du télescope tel qu’il est déployé sur son orbite.

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Il n’est guère possible de mettre sur orbite un dispositif significativement plus gros que Fermi (et plus lourd: c’est plein de plomb!). Or, plus les photons venant de l’univers sont énergétiques, moins ils sont nombreux. L’ordre de grandeur de l’ouverture du télescope gamma de Fermi est de un mètre carré. Serait-il possible de mettre en place une stratégie expérimentale pour augmenter significativement cette surface ?

C’est là que ça devient très rigolo: depuis les années 80, les physiciens développent des techniques pour utiliser l’atmosphère elle-même comme un calorimètre. En effet, l’air au-dessus de nos têtes nous protège du rayonnement énergétique en provenance de l’espace, en particulier les rayons gamma. Ces derniers provoquent des cascades électromagnétiques dans la haute atmosphère. Comme la densité y est bien moindre que dans le calorimètre de Fermi, la gerbe s’étend sur une distance bien plus grande, typiquement de l’ordre du kilomètre. Les électrons et positons qui constituent la cascade sont si énergétiques qu’ils émettent de la lumière dans la bande optique, visible. Il s’agit de ce que l’on appelle la lumière Tcherenkov, dont je ne manquerai pas de vous expliquer le pourquoi du comment bientôt. Quoi qu’il en soit, cette lumière se propage jusqu’au sol, et permet en principe d’observer la cascade atmosphérique. Pour faire de l’astronomie gamma au sol, nous utilisons alors des télescopes optiques qui cherchent à observer non pas le ciel mais l’atmosphère. Ceux-ci jouent le rôle des collecteurs de lumière que l’on place dans les calorimètres au LHC ou dans Fermi. Sur l’image suivante sont montrés les télescopes Tcherenkov du réseau H.E.S.S. situé dans la savane namibienne.

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Sur la seconde image, on voit des images d’une cascade électromagnétique observée par les cinq télescopes du réseau. Pour s’affranchir des bruits de fond et améliorer la reconstruction des cascades, on observe en effet les événements sous différents angles simultanément. Avec nos télescopes, nous atteignons des surfaces collectrices de l’ordre de 10,000 m2, soit la surface au sommet de l’atmosphère telle que si un photon gamma la traverse, il sera observé par H.E.S.S. Par rapport au télescope spatial Fermi, deux inconvénients compensent ce grand rapport des surfaces collectrices. Tout d'abord H.E.S.S. ne peut observer que la nuit, et quand la Lune n’est pas levée, alors que Fermi observe 24/7. Par ailleurs le champ de vue de H.E.S.S. est de l’ordre de quelque degrés et nécessite d’organiser des campagnes de mesures ciblées. Au contraire Fermi balaye tout le ciel en 1h30 environ. Au final ces deux techniques sont complémentaires en tous points et pour l’étude des sources de rayon gamma les deux types d'instruments sont utilisés dans la mesure du possible. L’image ci-dessous montre l’observation d’un reste de supernova par les télescopes H.E.S.S. Au centre de l’image, invisible ici, il y a un pulsar (une étoile à neutrons) qui constitue l’état final après que l’étoile qui était là ait explosé (une supernova). Les contours colorés que l’on voit montrent l’émission de rayons gamma liée à l’expansion dans le milieu interstellaire des couches externes de l’étoile progénitrice.

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Les photons gamma sont créés par les restes de l’explosion de l’étoile, puis voyagent pendant plus de 4,000 ans à travers la Galaxy avant de venir s’écraser au sommet de l’atmosphère terrestre. La cascade engendrée alors crée de la lumière visible qui a été captée par H.E.S.S., transformant intelligemment l’air qui nous entoure en calorimètre!

Liens utiles (en anglais) :
- Site web de Fermi à la NASA
- Site web de l'expérience H.E.S.S.


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