Reflets de la Physique n°56 jan/fév/mar 2018
Reflets de la Physique n°56 jan/fév/mar 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°56 de jan/fév/mar 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 4,2 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur Pierre-Gilles de Gennes et l'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
< Pages précédentes
Pages : 28 - 29  |  Aller à la page   OK
Pages suivantes >
28 29
 » > Les autres expériences dans l’espace L’expérience de référence qui a précédé AMS-02 est le satellite PAMELA, lancé en 2006 sur une orbite de 580 km d’altitude. Cependant, sa plus petite taille lui donne un pouvoir de collecte 100 fois plus faible, conduisant à des données moins précises et moins étendues en énergie qu’AMS-02. Le satellite Fermi lancé, quant à lui, en 2008 à une altitude de 560 km, observe les rayons gamma de haute énergie, et étudie donc la partie neutre du rayonnement cosmique. Plus récemment, on trouve le détecteur CALET, installé sur l’ISS en août 2015, le satellite DAMPE, mis en orbite en décembre 2015, et le détecteur ISS-CREAM placé également sur l’ISS en août 2017. Ces nouvelles expériences ont pour objectif d’étendre les mesures d’AMS-02 jusqu’à 1000 TeV (soit 10 15 eV). Le transport des rayons cosmiques  : un voyage peu ordinaire Embarquement immédiat  : destination la Terre ! La Voie lactée est une galaxie spirale qui contient une centaine de milliards d’étoiles. En moyenne, quelques étoiles par siècle terminent leur vie en supernovæ, dont l’onde de choc accélère noyaux et électrons pour former le rayonnement cosmique dit galactique, d’énergie comprise entre 10 8 et 10 16 eV [1, 2]. À ces énergies, les noyaux sont complètement ionisés, et donc sensibles aux interactions électromagnétiques, tout comme les électrons. D’une part, les trajectoires sont déterminées par la structure complexe du champ magnétique galactique, qui contient une composante régulière mais aussi une composante turbulente de même intensité ( 1 μG). Ce transport est décrit en première approximation par une équation de type diffusion, équivalente à une marche aléatoire des particules chargées dans la Galaxie. Par ailleurs, les noyaux perdent ou redistribuent leur énergie tout au long de leur parcours, et changent parfois même de nature, au gré des inter actions nucléaires avec le milieu interstellaire (constitué de protons et de noyaux d’hélium). Après un voyage de plusieurs dizaines de millions d’années, dans un environnement s’étendant sur quelques dizaines de milliers 28 Reflets de la Physique n°56 d’années-lumière, certains des rayons cosmiques atteignent la zone d’influence du Soleil, appelée cavité solaire. Ils subissent alors l’effet du vent solaire, qui se traduit dans les observations expérimentales par une modulation des flux de particules à basse énergie, variant périodiquement selon l’activité solaire. Après encore une année à vagabonder, ils arrivent aux abords de la Terre et peuvent alors être détectés par une expérience telle qu’AMS-02. Un détecteur de physique des particules dans l’espace Détecteur à rayonnement de transition Une brisure inattendue dans le spectre des noyaux Une fois les données récoltées par le détecteur, comment remonter la piste des rayons cosmiques ? Comme nous l’avons vu en introduction, les protons et les noyaux d’hélium sont les particules les plus abondantes du rayonnement cosmique, et ce sont donc les premières espèces qui ont été étudiées en profondeur par la collaboration AMS. Dans le paradigme standard, le spectre des espèces primaires de rayons L’expérience AMS-02 est un détecteur de particules (fig. E1), de conception similaire à ceux que l’on trouve sur un accélérateur, mais limité à la fois en dimensions et en poids pour pouvoir être envoyé dans l’espace. Sa taille est ainsi de 5 × 4 × 3 mètres pour une charge de 7,5 tonnes. En comparaison, le détecteur ATLAS au LHC mesure 25 × 25 × 46 mètres pour 7000 tonnes. Lorsqu’un rayon cosmique traverse AMS-02, il rencontre plusieurs sous-détecteurs qui vont permettre de mesurer ses caractéristiques. Tous les sous-détecteurs participent de manière redondante à identifier la particule. Ainsi, le détecteur à rayonnement de transition identifie les électrons et les positons (pas de signal laissé par les noyaux). La traversée des compteurs de temps de vol permet de déterminer la direction, la vélocité et la charge de la particule. Au cœur d’AMS-02, le trajectographe mesure la trajectoire de la particule dans le champ magnétique de l’aimant. Le rayon de courbure donne une mesure de la rigidité R = pc/Ze de la particule, exprimée en gigavolts GV (où p est l’impulsion, Z la charge électrique, c la vitesse de la lumière et e la charge élémentaire), et permet de déterminer s’il s’agit d’une particule de matière ou d’antimatière (des charges opposées ont des courbures opposées). Le détecteur Cherenkov fournit lui aussi une estimation de la charge et de l’énergie, alors que le calorimètre électromagnétique mesure l’énergie et la direction des électrons et positons, et les distingue des protons et autres noyaux. Aimant permanent Calorimétre électromagnétique E1. L’expérience AMS-02. Détecteur Cherenkov r Compteur de temps de vol Trajectographe z B y
Flux x R 2,7 [m -2. sr -1. sec -1. GV 1,7] 15 x 103 x 10 3 6 10 5 13 0 1 I... "IF >s.—r.. cosmiques (c’est-à-dire ceux provenant directement des supernovæ) est en bonne approximation une loi de puissance au-delà de quelques dizaines de GeV (fig. 1). Cette loi de puissance peut s’écrire sous la forme R -(α+δ), où R est la rigidité (définie dans l’encadré) (a) et les coefficients α et δ sont respectivement liés au spectre à la source et au processus de diffusion dans la Galaxie (b). Cependant, les résultats d’AMS-02 (fig. 3) ont mis au jour la présence d’une brisure dans les spectres des protons et des noyaux d’hélium [5], située à la même rigidité pour les deux espèces ! Si l’on considère la forme initiale supposée du spectre en R -(α+δ), deux hypothèses émergent pour expliquer ces résultats  : l’existence d’un effet de brisure universel dans le spectre source, ou dans la diffusion. Pour tester ces deux hypothèses, il faut s’appuyer sur les espèces secondaires de rayons cosmiques, comme les noyaux de bore (B), de lithium (Li) et de béryllium (Be). Ces noyaux sont issus des réactions nucléaires entre les rayons cosmiques primaires et le milieu interstellaire, et leur spectre va donc rendre compte d’une « double » diffusion  : celle effectuée d’abord par leurs noyaux parents, puis leur propre diffusion. On s’attend donc à une loi de puissance de la forme R -(α+2δ) pour ces espèces. Les choses deviennent maintenant intéressantes si l’on considère un rapport « secondaire sur primaire », comme le rapport B/C des spectres des noyaux de bore (d’origine secondaire) et de carbone (d’origine primaire). En étudiant un tel rapport, on s’attend à obtenir un spectre de la forme 26 2 3 4 5 10 arq on p is 20 100 200 Rigidité [GV] î Modèle standard He P4,ette. Modèle standard Li Modèle standard t Brisure Brisure..,% pue, R -(α+2δ)/R -(α+δ) = R -δ. Ainsi, selon que la brisure spectrale se trouve à la source (indice α) ou dans la diffusion (indice δ), l’impact sera nul sur le rapport B/C dans le premier cas, et visible dans le second cas. Pour trancher la question, il faut attendre des études plus poussées et l’analyse d’autres espèces secondaires comme le lithium (fig. 3) et le béryllium, qui sont en cours dans la collaboration AMS. À la recherche de la mystérieuse matière noire Le principe de détection indirecte Depuis les années 1980, la traque de la matière noire dans le rayonnement cosmique est devenu un nouveau moteur de la discipline. La matière noire est observée par ses effets gravitationnels à toutes les échelles [6], et la Voie lactée ne fait pas exception  : celle-ci est en effet entourée d’un halo de matière noire d’un rayon d’environ 10 6 années-lumière (soit 20 fois la taille de la Galaxie visible) et de 10 12 masses solaires (soit 20 fois la masse « visible » de la Galaxie). Dans le cadre de modèles de physique des particules au-delà du modèle standard, la matière noire serait constituée de nouvelles particules, qui pourraient s’annihiler entre elles pour produire notamment des photons, des positons et des antiprotons. L’approche de la détection indirecte de matière noire, qui complémente les expériences de détection directe [7] et sur 4 2 Brisure 0 1000 2000 3. Brisure des spectres de p, He et Li. Spectres en protons, noyaux d’hélium et de lithium (résultats préliminaires) mesurés par AMS-02 en fonction de la rigidité. Grâce à sa sensibilité et à la qualité de reconstruction des événements, les barres d’erreurs sont quasiment invisibles ( 3%) sauf à haute rigidité. Les flèches et les zones pleines indiquent un changement de régime inattendu à environ 300 GV (spectres multipliés par R 2,7 pour faire apparaître plus clairement les changements de pente). Avancées de la recherche accélérateur [8], consiste à rechercher un possible excès dans les flux de ces trois espèces qui ont l’avantage d’être rares dans le rayonnement cosmique. La question cruciale est donc celle de la maîtrise du calcul des contributions astrophysiques de ces espèces, afin de les distinguer d’une éventuelle contribution de matière noire. En effet, quel que soit le phénomène ayant produit ces particules, toutes vont se propager dans la Galaxie et se mélanger pour donner le spectre final mesuré. Antiprotons et positons  : matière noire ou astrophysique standard ? Les antiprotons et les positons sont donc des cibles privilégiées pour la recherche indirecte de matière noire. Ce sont des espèces secondaires rares, créées par l’inter action des protons et noyaux d’hélium sur le milieu interstellaire. On observe ainsi autour de 1 GeV des rapports e +/p et anti-p/p de l’ordre de 10 -2 et 10 -4 respectivement. Expérimentalement, mesurer les flux de positons et d’antiprotons est très difficile à réaliser, car il faut obtenir de bons facteurs de réjection qui est la capacité du détecteur à trouver une aiguille (un antiproton par exemple) dans une meule de foin (les protons). Il s’agit donc d’être rigoureux et prudent dans l’analyse et l’interprétation des données ! Historiquement, ce sont les premières mesures du flux d’antiprotons à la fin des années 1970 qui ont créé l’émoi chez les physiciens  : en plus de la composante astrophysique standard, d’origine purement secondaire, une contribution supplémentaire était nécessaire pour ajuster les données. Hélas, les mesures suivantes montrèrent que ce flux avait été surestimé expérimentalement et sous-estimé dans la modélisation du fond astrophysique. Les énergies des antiprotons détectés par AMS-02 couvrent aujourd’hui la gamme de 1 GeV à 450 GeV avec une précision de l’ordre de quelques pourcents au GeV, augmentant à 30% aux plus hautes énergies [5]. L’interprétation de ces nouvelles données reste très débattue  : les plus enthousiastes pensent avoir vu un excès alors que les plus prudents soulignent que la modélisation du fond astrophysique reste incomplète. Car, de manière paradoxale, le facteur limitant ne réside maintenant plus dans l’incertitude statistique des données mais bien dans les incertitudes liées aux modèles » > Reflets de la Physique n°56 29



Autres parutions de ce magazine  voir tous les numéros


Liens vers cette page
Couverture seule :


Couverture avec texte parution au-dessus :


Couverture avec texte parution en dessous :


Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 1Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 2-3Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 4-5Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 6-7Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 8-9Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 10-11Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 12-13Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 14-15Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 16-17Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 18-19Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 20-21Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 22-23Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 24-25Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 26-27Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 28-29Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 30-31Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 32-33Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 34-35Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 36-37Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 38-39Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 40-41Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 42-43Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 44-45Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 46-47Reflets de la Physique numéro 56 jan/fév/mar 2018 Page 48