Overblog Suivre ce blog
Editer l'article Administration Créer mon blog
18 mai 2011 3 18 /05 /mai /2011 17:45

 

 

La navette Endeavour a pris son envol pour la dernière fois...

 

 

Photographiée au passage par Stefanie Gordon à bord d'un vol New York - Palm Beach.

 

endeavor.jpg

 

Le mercredi 18 mai, la navette spatiale américaine Endeavour a réussi son amarrage à la Station spatiale internationale (ISS) où elle a apporté l'ExPRESS Logistics Carrier 3 (ECL-3) et le Spectromètre magnétique Alpha (AMS-02).

 

L'ECL-3 est une palette en aluminium qui sert de support à des expériences scientifiques et de lieu de stockage pour des pièces détachées. L'équivalent d'une plaque de plâtre pour une maison normale, sauf que là c'est pour construire une station spatiale!


L'AMS-02 est un module expérimental en physique fondamentale d'une valeur de deux milliards de dollars qui a pour ambition de s’attaquer aux plus grandes énigmes posées par notre univers (enfin celui de Seldon Cooper) :

  • l’Univers est-il constitué exclusivement de matière, ou bien existe-t-il des étoiles d’antimatière comme le suggère la théorie du Big Bang ?
  • quelle est la nature de la matière noire, invisible, qui constituerait environ 25 % de la masse de l'Univers ?

 

Pour répondre à ces questions, le module spatial AMS-02 doit mesurer avec une grande précision les flux de rayons cosmiques de haute énergie au-delà de l’atmosphère terrestre. Ce type d’instrument est régulièrement employé dans les expériences de physique des particules (au LHC par exemple), mais il faut des prouesses technologiques pour qu’il puisse résister à un lancement dans l’espace.

 

Le rayonnement cosmique est le flux de noyaux atomiques (noyau d'hélium principalement) et de particules (proton, électron, anti-proton et anti-électron, pion, anti-pion, muon, anti-muon, etc...) de haute énergie (c'est-à-dire ayant une vitesse proche de la vitesse de la lumière) . On peut aussi ajouter parmi les rayonnements cosmiques les rayons gamma (photon très énergétique), qui ne sont pas "vraiment" des particules mais de l'énergie.

 

Pour analyser ce rayonnement, il faut arriver à différencier toutes ces particules, en déterminant leur masse, leur charge et leur vitesse. Pour cela, on  va enregistrer leur trajectoire (grâce au Silicium Tracker) lors de leur passage dans un champ magnétique (généré par le Cryogenic Superconducting Magnet). En effet, les particules chargées traversant un champ magnétique subissent une force, appelée force de Lorenz , qui courbe sa trajectoire  . Le rayon de courbure dépend de l'énergie des particules tandis que le sens de cette deviation dépend du signe de la charge électrique. On va ensuite mesurer leur vitesse grâce à l' effet Vavilov-Čerenkov  (Ring Image Cherenkov Counter), ainsi que leur masse grâce aux Transition Radiation Detector et à l'Electromagnetic Calorimeter. 

 

Cryogenic Superconducting Magnet (l'aimant)

 

Un courant qui traverse une bobine de fil  produit un champ magnétique. Plus le nombre de tours de fil dans la bobine  est important, plus le champ magnétique est fort (théorème d'Ampère) et donc plus le rayon de courbure de la trajectoire des particules chargées est grand.

 

Le système AMS Magnet se compose de 14 bobines supraconductrices : les deux plus grandes bobines (bobines dipôle ou dipole coil) fournissent le champ principal, les autres permettent de  minimiser le champ de fuite à l'extérieur de l'aimant  (résultant de l'interaction avec le champ magnétique terrestre). Les bobines sont formées d'une spire de 3 360 tours  composée de filaments de niobium-titane  de 22,4 µm (0,024 mm) de diamètre  qui transportent le courant sans résistance (supraconducteur). Lorsque l'aimant est chargé, les deux dipôles  subissent  une attraction l'un vers  l'autre d'environ 250 tonnes. La structure mécanique de l'aimant est conçue pour supporter ces grandes forces.


 

magnet.jpg

 

 

L'aimant supercondoncteur fonctionne à une température de 1,8 K (-271.35 °C), en utilisant un refroidissement cryogénique fourni par 2 500 L d'hélium superfluide stockés dans une cuve toroïdale, le tout étant maintenu sous vide. En raison de pics de chaleur parasite, l'hélium va régulièrement bouillir pendant toute la durée de l'expérience, qui devrait être d'environ trois ans. Après ce temps, il va se réchauffer et il ne sera plus opérationnel.

    


magnet-2.jpg

 

 

Silicon Tracker (détecteur de trajectoire)

 

Le détecteur de trajectoire est le seul capable de séparer les particules positives des particules négatives, grâce à la mesure directe de la déviation de trajectoire (due au champ magnétique de l'aimant). La mesure de la courbure permet de connaître l'inertie de la particule (masse*vitesse²) et le sens de la déviation permet de connaître sa charge. Le détecteur, composé de 8 plans de silicum, mesure avec une grande précision (10 µm = 0,01 mm) la position d'une particule lors son  passage dans l'aimant. Le rayon de la meilleure trajectoire circulaire passant par ces 8 plans et le point d'entré (mesuré par le ToF) donne la courbure de la trajectoire de la particule.

 


si-tracker.jpg 

 Les plans du détecteur sont constitués d'un substrat de silicium dopé de haute pureté et de 300 µm d'épaisseur. Sur les deux faces, des bandes d'aluminium sont placées de façon péremptoire  dans des directions orthogonales (la distance typique inter-bande est de 50 µm).

silicium-tracker.jpeg

Lorsqu'une particule chargée traverse le substrat de silicium, environ 24 000 électrons sont déplacés (laissant des trous dans les orbitales du silicum)   . Ces charges (électrons et trous) vont dans des directions opposées  à cause du champ électrique généré par la tension de polarisation appliquée entre les deux faces (80 V). Seules les bandes proches de ce déplacement de charge donneront un signal. Le centre de gravité de ces bandes offre une résolution de position de 10 µm. 

 

 

Ring Image Cherenkov Counter (RICH) 

 

Le détecteur RICH permet l'estimation de la vitesse des particules avec une grande précision (0,1%). La mesure de la vitesse découle de la visualisation de la forme des photons créés par l'effet Vavilov-Čerenkov . Ce phénomène produit un flash de lumière lorsqu'une particule chargée se déplace dans un milieu avec une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière de ce milieu. La particule se déplace plus vite que les photons qu'elle produit en excitant les électrons du milieu. Un front d'ondes cohérent apparaît sous la forme d'un cône de lumière. C'est cet effet qui provoque la luminosité bleue de l'eau entourant le cœur d'un réacteur nucléaire.

 

tchernikov.jpg

 

 

L’analogie entre l’effet  Vavilov-Čerenkov  et l'onde de choc est facile à faire. Un avion se déplaçant plus vite que le son dans l’air crée une onde de choc sur laquelle toutes les ondes sonores se retrouvent. La correspondance avec l’effet  Vavilov-Čerenkov  se fait en remplaçant l’avion par une particule chargée et le son par la lumière. Le nombre de Mach fournit un schéma qui est directement applicable ici.

 

MACH.jpeg

      MACH-2.jpeg

  

 

Le détecteur RICH est composé d'un radiateur plan, d'un miroir conique et d'un plan de détection de photons.

 

RICH.jpg

 

Le radiateur est  responsable de la production du rayonnement   Vavilov-Čerenkov  . Il est composé d'un réseau de tuiles   d'aérogel    qui entoure la région centrale constituée d'un radiateur de  fluorure de sodium (NaF) . Cette combinaison, ainsi que l'orientation du miroir, permet de s'assurer que les photons    Vavilov-Čerenkov    seront dans la zone de détection. En effet, le plan du détecteur a un trou en son centre, correspondant à la zone active du calorimètre électromagnétique situé ci-dessous.  

 RICH-2.jpeg

 

Transition Radiation Detector

 

Le TRD permet de déterminer la masse des particules. On a vu que le Silicum Tracker permettait d'avoir l'inertie de la particules (masse*vitesse²) . Mais, étant donné la vitesse très importante de ces particules, leur inertie est de l'environ 300 milliard d'électron-volts (300 GeV = 300 000 MeV). Il donc est difficile de faire la distinction  entre les particules, toutes auront le plus ou moins la même inertie car leur masse respective est négligeable devant leur vitesse (le proton a une masse d'environ 940   MeV   , l'électron de 0,5 MeV, le pion et le muon de 100 MeV).

 Le TRD, cependant, est sensible à la quantité γ = E / m, soit l'énergie divisée par la masse. Cette quantité est très différente pour les électrons et les protons, de sorte que le TRD peut les distinguer!

 

Le  TRD, placé au dessus de  l'aimant, est composé de 328 modules. Les modules sont disposés en 20 couches appuyées par un octogone conique d'aluminium en nid d'abeille recouvert de fibres de carbone.  Chaque module contient:
- un radiateur  
de 20 mm de hauteur, composé d'une toison de fibres de polypropylène / polyéthylène.   

 - 16 tubes à incandescence remplis avec un mélange Xe   :CO2 (20:80%) à 1600 V (régime d'avalanche complet)   .

 
 TRD.jpg

A haute énergie, un électron va émettre des rayons X en traversant le détecteur TRD alors qu'un proton n'y fera pas. Ces rayons X sont produits lorsque la particule traverse plusieurs     interfaces caractérisées par un changement brusque d'indice de réfraction : dans notre cas, l'interface entre les fibres de plastique    et le vide.

tions">

Les  rayons X passent à travers le radiateur, et vont  ioniser le gaz présent dans les tubes, déclenchant une avalanche d'ionisation. Elle modifie brusquement le courant d'un fil de fer  (maintenu à haute tension)  présent dans le tube. Ce changement de courant induit un signal électrique rapide qui peut être détecté.   

 

Electromagnetic Calorimeter

 

Le calorimètre électromagnétique (ECAL) est une brique de plomb lourd dans laquelle les  particules interagissent,   produisant une gerbe de particules de basse énergie (c'est très imagé le langage de physicien!) . La forme de la gerbe de particules générée  permet d'identifier le type de particules (proton ou positron) et l'énergie totale des particules.  

Le calorimètre est constitué de 9  couches  , chaqu'une     étant composée de feuilles de plomb   et de fibres scintillantes   , collées avec de la résine époxy.  

 


 

ECAL-2.jpg

 

Quand un électron, un anti-électron ou un photon gamma  de haute énergie traversent un matériau très denses de nombreux autres électrons, anti-électrons et photons gamma     de basse énergie sont produits. Cette production de particules est appelée gerbe électromagnétique et est causée par l'interaction de deux phénomènes : le Bremsstrhalung (le mot allemand pour rayonnement de freinage) et   la conversion d'un photon en une paire électron / anti-électron .  

 
Un proton incident interagit de façon très différente. Il produit une gerbe hadronique, qui a une forme totalement différente. La gerbe du proton  est caractérisée par la production de nombreux types de particules (pions, kaons ...) résultant en une plus gerbe plus large.

 

ECAL.jpeg

 

  

 

 ECAL est capable de reconstruire un profil 3D de cette gerbe permettant de distinguer certaines particules.  Grâce à la forme de la gerbe, il est également possible de reconstruire la direction de la particule incidente.  

 

Voila pour les détecteurs principaux, en option on a aussi un Time-of-Flight Counter un Star Tracker et un détecteur anti-coincidence :

 

Time of Flight Counter

 

Le compteur de temps de  vol (ToF) est le chronomètre de l'AMS. Il est capable de mesurer avec une haute précision  (1,5 × 10-10 s) le temps de transit des particules dans AMS. L'objectif principal du ToF est d'avertir les autres sous-détecteurs de l'arrivée  d'un rayon cosmique.

 



tof.jpgtof-2.jpg

 

 

 

 

Le système AMS-02 ToF est composé de 4  compteurs à scintillation (2 au-dessus et 2 au dessous de l'aimant )  contenant entre 8 et 10 détécteurs à scintillation organique (polyvinyltoluène). Ils sont composés de panneaux de polyvinyltoluène de 1 cm d'épaisseur de forme rectangulaire  Les électrons π des liaisons carbone-carbone des molécules de toluène sont excités au passage d'une particule. En redescendant à leur état normal d'énergie, ils émettent de la lumière (fluorescence). Les scintillateurs sont couplés aux deux extrémités par des guides de lumière en plexiglas qui transmettent cette lumière à plusieurs photomultiplicateurs. Là, soumis à l'action de la lumière, des électrons sont éjectés d'un matériau, puis amplifiés (multipliés) grâce à un système de dynodes, à tension progressive.

 

 

Anticoincidence Counter

 

C'est le Cerbère de l'AMS : un tonneau de compteurs à scintillation, entourant les autres détecteurs, pour ne sélectionner que les particules qui traversent l'aimant dans le bon sens.

 

ACC-copie-1.jpg

 

 

 

Star Tracker & GPS

 

Deux caméras digitales de chaque côté pour viser les bonnes grosses étoiles qui produisent plein de rayons cosmiques et un GPS pour bien se positionner.

 

A tout ça, il faut rajouter un système de stockage des gaz, le support mécanique (USS), l'électronique de mesure et le système de refrigeration.

 

AMS-02-copie-1.jpg

En résumé, une particule cosmique arrive par le haut, passe à travers le TRD et produit des rayons X (si cette particule est un électon, un anti-électron ou un muon), elle franchit ensuite le ToF qui alerte les autres détecteurs (enregistrement ON), elle pénètre dans l'aimant et est deviée, le Silicum Tracker mesurant sa trajectoire. Le ToF vérifie qu'elle ressort bien (elle arrivait donc bien droit et l'ACC confirmant qu'elle  n'arrivait pas par le côté), elle arrive enfin sur le RICH qui mesure sa vitesse grâce à l'effet Vavilov-Čerenkov pour finalement s'écraser (comme une merde) sur le calorimètre (ECAL) en une gerbe (électromagnétique ou hadronique).


Et Voila! On assemble tout ça comme un LEGO géant et hop, on l'envoie dans l'espace...

 

 


 

AMS-copie-1.jpg

 

 

 

...et on n'a plus qu'à analyser les 7 Gigabits de données produites par seconde.

 


AMS-02 homepage (CERN)

 

AMS-02 General public Webpage

 

High Charge Cosmic Rays Measurement with the AMS-02 Silicon Tracker

Dott. Alberto Oliva
Universita degli studi di Perugia
Dottorato di ricerca in Fisica

 

Merci au Becherelle et à Véronique P.

 


 

Mise à jour : installation de AMS sur ISS :

 

 

 

 

 

 

 

 


Partager cet article

Repost 0
Published by doc-fab - dans Sciences
commenter cet article

commentaires