Projet ANR-12-BS05-0005 – GIGAS : Identification au gigahertz des grandes gerbes atmosphériques
Programme : Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (Blanc SIMI 5)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur LETESSIER-SELVON Antoine (Laboratoire de Physique Nucléaire et des Hautes Énergies)
Partenaires : Institut de Physique Nucléaire d'Orsay; Laboratoire Physique Nucléaire et de Hautes Énergies; Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie
Montant : 581240.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 48 mois
Résumé : GIGAS : Identification au gigahertz des grandes gerbes atmosphériquesLes rayons cosmiques d'ultra haute énergie (RCUHE) constituent un moyen unique pour étudier la physique  et l'astrophysique fondamentale à des énergies considérables (> 1 Joule), très largement supérieures à celles  disponibles après des accélérateurs terrestres. Cependant, ces études sont extrêmement difficiles. En effet, le «faisceau« est très mal connu, le flux est très faible (moins d'un événement par km2 et par an) et nous n'observons pas directement l'interaction primaire.
Mesure de la composition des RCUHEL’objectif du projet GIGAS est de démontrer la possibilité de mesurer l’évolution temporelle  de  la  cascade   électromagnétique  avec  un  cycle  utile  de  100%  pour  des  RCUHE  d’énergies  au  delà  de  1  J. Notre démonstrateur est basé sur la mesure de l’émission micro-onde  générée  par  les  électrons  et  les   positrons  de  la  cascade.  Cette  mesure  est  faite  grâce  à  des  récepteurs  micro-ondes  connectée  à  chacun  des   détecteur de surface d’Auger. Ces instruments fourniront une estimation calorimétrique de l’énergie et permettront une excellente identification  de  la  particule  primaire  et  ce,  événement  par  événement.  Notons   que  l'identification  individuelle  des  RCUHE  constitue  en  soit  une  avancé  considérable  puisque  la  séparation  des primaires n'est aujourd'hui possible que sur une base statistique. Notre approche est à la fois novatrice et conservatrice. Elle conjugue l'exploitation du signal micro-ondes des EAS et les capacités de détection et de reconstruction d'un réseau de détecteurs de particules classique. Nos équipes sont les seules au monde à utiliser cette approche en symbiose. Par ailleurs, un  prototype de 7 capteurs que nous avons installé sur Auger en 2011 pour tester notre technique d'intégration a, pour la première fois, détecté un  signal   provenant  d'une  EAS  dans  la  bande 3,4- 4,2 GHz démontrant ainsi la justesse de notre approche. Cependant beaucoup reste à faire pour comprendre toutes les caractéristiques de ce signal.
Optimisation et construction de senseur au GHzGIGAS se propose d’équiper de détecteurs optimisés une partie (20%) des détecteurs du site sud de l'Observatoire Pierre Auger, couvrant ainsi une surface de 300 km2 et constituant un démonstrateur que nous ferons fonctionner en symbiose avec le réseau de détecteurs d’Auger. Ce projet vise un objectif scientifique  ambitieux. Il permettra à terme la mesure des sections efficaces hadronique à des énergies dépassant les 100 TeV dans le centre de masse, de contraindre les modèles d’interaction hadronique, de tester les lois de la physique fondamentale, d'identifier les sources des rayons cosmiques et de fournir des  indications sur les champs magnétiques galactiques et extra-galactiques. En outre l'ajout d'informations sur le profil de la composante électromagnétique de la gerbe permettra d’améliorer de façon significative la mesure des gerbes atmosphériques induites par des gammas ou des neutrinos UHE. Ambitieux en termes de science, ce projet est cependant construit sur une base robuste du point de vu expérimental. L’installation et le fonctionnement en symbiose avec une installation existante, l'Observatoire Auger, que nous connaissons parfaitement, permet d’envisager une réalisation rapide, efficace et peu onéreuse de ce  démonstrateur.
Résumé de la soumission : Les rayons cosmiques d'ultra haute énergie (RCUHE) constituent un moyen unique pour étudier la physique et l'astrophysique fondamentale à des énergies considérables (> 1 Joule), très largement supérieures à celles disponibles après des accélérateurs terrestres. Cependant, ces études sont extrêmement difficiles. En effet, le "faisceau" est très mal connu, le flux est très faible (moins d'un événement par km² et par an) et nous n’observons pas directement l'interaction primaire mais seulement la cascade de secondaires qu'elle produit (Gerbes Atmosphériques de grande Extension ou EAS). Pour surmonter ces difficultés, il est nécessaire de mesurer les différentes composantes des EAS avec une précision aussi grande que possible, en particulier l’évolution de la composante électromagnétique. Les observatoires modernes, tels que l'Observatoire Pierre Auger, ont été conçus comme des détecteurs hybrides: ils comprennent un réseau de détecteurs de particule au sol (qui échantillonne les EAS au niveau du sol), et des télescopes de fluorescence (qui observe l'évolution longitudinale de la composante électromagnétique). Cependant, les mesures hybrides ne sont disponibles que 10% du temps en raison du faible cycle utile de la fluorescence.L’objectif du projet GIGAS est de démontrer la possibilité de mesurer l'évolution temporelle de la cascade électromagnétique avec un cycle utile de 100% pour des RCUHE d'énergies au delà de 1 J. Notre démonstrateur est basé sur la mesure de l’émission radio micro-onde générée par les électrons et les positrons de la cascade. Cette mesure est faite grâce à des récepteurs micro-ondes connectée à chacun des détecteurs de surface d’Auger. Ces instruments fourniront une estimation calorimétrique de l'énergie et permettront une excellente identification de la particule primaire et ce, événement par événement. Notons que l'identification individuelle des RCUHE constitue en soit une avancé considérable puisque la séparation des primaires n'est aujourd'hui possible que sur une base statistique. Notre approche est à la fois novatrice et conservatrice. Elle conjugue l'exploitation du signal micro-ondes des EAS et les capacités de détection et de reconstruction d'un réseau de détecteurs de particules classique. Nos équipes sont les seules au monde à utiliser cette approche en symbiose. Par ailleurs, un pre-protoype de 7 capteurs que nous avons installé sur Auger en 2011 pour tester notre technique d'intégration a, pour la première fois, détecté un signal provenant d'une EAS dans la bande 3,4-4,2 GHz démontrant ainsi la justesse de notre approche. Cependant beaucoup reste à faire pour comprendre toutest les caractéristiques de ce signal. GIGAS se propose d’équiper de détecteurs optimisés une partie (10%) des détecteurs du site sud de l'Observatoire Pierre Auger, couvrant ainsi une surface de 300 km2 et constituant un démonstrateur que nous ferons fonctionner en symbiose avec le réseau de détecteurs d’Auger. Ce projet vise un objectif scientifique ambitieux. Il permettra à terme la mesure des sections efficaces hadronique à des énergies dépassant les 100 TeV dans le centre de masse, de contraindre les modèles d’interaction hadronique, de tester les lois de la physique fondamentale, d'identifier les sources des rayons  cosmiques et de fournir des indications sur les champs magnétiques galactiques et extra-galactiques. En outre l'ajout d'informations sur le profil de la composante électromagnétique de la gerbe permettra d’améliorer de façon significative la mesure des gerbes atmosphériques induites par des gammas ou des neutrinos UHE. Ambitieux en termes de science, ce projet est cependant construit sur une base robuste du point de vue expérimental. L’installation et le fonctionnement en symbiose avec une installation existante,l'Observatoire Auger, que nous connaissons parfaitement, permet d’envisager une réalisation rapide, efficace et peu onéreuse de ce démonstrateur.
Résultats : Nous avons installé un premier prototype de 61 antennes couvrant 100 km2. En un peu plus d'un an seul 3 événements supplémentaires ont été enregistré.
Des limites contraignante sur le niveau d'émission isotrope des gerbes ont été calculés et publiés dans les thèses de Romain Gaior (UPMC 2012), Sandra Le Coz (Joseph Fourier 2014) et Miguel Blanco Otano (UPMC, 2014).
Un calcul semi-analytique de l'émission des grandes gerbes atmosphérique  par Bremsstrahlung moléculaire a été realisé. Ce résulta est publié par la revue Astroparticle Physics (sous presse) et est disponible en ligne : arXiv:1509.5051 [astro-ph]
Deux ensembles de 7 capteurs hautes performances dnas les bandes 1-2 GHz et 3.4-4.2 GHz on été installés sur site en févirer 2015.
Perspectives : Il semble que le rayonnement par Bremsstrahlung moléculaire (MBR) soit plus faible que nous l'espérions. Des capteurs plus sensibles ont été installés (voir les figures) .  Les résultats sont attendus pour la fin de l'année et décideront de l'orientaiton finale du projet.
Publications et brevets : An Estimate of the Spectral Intensity Expected from the Molecular Bremsstrahlung Radiation in Extensive Air Showers , I. Al Samarai, O. Deligny, D. Lebrun, A. Letessier-Selvon, F. Salamida, accepted in Astroparticle Physics, arXiv:1409.5051 [astro-ph.HE]
Radio detection of Cosmic Rays in the GHz band at the Pierre Auger Observatory, I. Al Samarai for the Pierre Auger Collaboration,
Proceedings of the 6th International Conference on Acoustic and Radio EeV Neutrino Detection Acti-vities (ARENA), June 2014, Annapolis, USA