Le 14 août, 2017, un détecteur de rayons cosmiques révolutionnaire conçu par l'Université du Maryland se rendra à la Station spatiale internationale (ISS) à bord de la mission SpaceX-12 Commercial Resupply Service. L'instrument, nommé ISS Cosmic Ray Energetics and Mass (ISS-CREAM), est à peu près de la taille d'un réfrigérateur et restera installé sur le module d'expérimentation japonais de l'ISS pendant au moins trois ans. Les quantités massives de données que l'ISS-CREAM collectera pourraient révéler de nouveaux détails sur l'origine et la diversité des rayons cosmiques.

Les rayons cosmiques ne sont pas du tout des rayons, mais des particules hautement énergétiques qui traversent l'espace à presque la vitesse de la lumière. Les particules varient en taille, des protons subatomiques aux noyaux atomiques d'éléments tels que le carbone et le bore. Les scientifiques soupçonnent que les particules sont des morceaux d'éclats d'obus subatomiques produits par des supernovae, mais pourraient aussi être des signatures d'autres phénomènes cataclysmiques.

Quelle que soit leur origine, "Les rayons cosmiques sont des échantillons directs de matière provenant de l'extérieur de notre système solaire, peut-être des confins les plus éloignés de l'univers, " dit Eun-Suk Seo, professeur de physique à l'UMD et chercheur principal pour l'ISS-CREAM. Seo dirige le groupe de physique des rayons cosmiques de l'UMD et a un poste conjoint à l'Institut des sciences physiques et de la technologie de l'UMD.

ISS-CREAM s'appuie sur plus d'une décennie de travail du groupe de recherche de Seo, qui comprend sept missions de ballons de longue durée (LDB) en Antarctique dédiées à l'étude de la nature des rayons cosmiques. Chacune de ces missions LDB a été facilitée par la NASA avec un soutien supplémentaire de la National Science Foundation.

La première, connu sous le nom de Cosmic Ray Energetics and Mass I (CREAM I), lancé en décembre 2004. CREAM I portait des instruments de mesure de l'énergie, charger, masse et direction des particules de rayons cosmiques entrants. Les cinq missions suivantes, également nommé CREAM et numéroté II-VI, portait la même suite d'instruments de base. La septième et la plus récente mission a pris un nom différent :les rayons cosmiques de bore et de carbone dans la haute stratosphère (BACCUS). Le vol a établi un record pour le premier lancement saisonnier de l'histoire du programme LDB de la NASA le 28 novembre. 2016, et conclu 30 jours plus tard.

L'ISS-CREAM emportera une suite d'instruments très similaires à ses cousins ​​en ballon. Mais contrairement aux expériences de ballon, Les détecteurs de l'ISS-CREAM auront accès sans entrave aux rayons cosmiques entrants, sans interférence atmosphérique. De retour sur Terre, L'équipe de Seo surveillera les opérations 24 heures sur 24, prendre des quarts pour s'assurer que les instruments sont correctement calibrés et collecter le maximum de données.

Lorsqu'une particule de rayon cosmique atteint l'atmosphère terrestre, il entre bientôt en collision avec une autre particule, très probablement un atome d'azote ou d'oxygène. Cela déclenche une cascade de particules secondaires qui transportent moins d'énergie que la particule d'origine. L'atmosphère sert de filtre protecteur, ralentir les rayons cosmiques dangereux avant qu'ils n'aient une chance d'endommager la vie et les biens ici à la surface de la Terre.

Cela signifie également que les détecteurs de rayons cosmiques liés à la Terre ne peuvent voir que des particules secondaires. En orbite au-dessus de l'atmosphère, ISS-CREAM relève ce défi et offre plusieurs autres avantages par rapport aux expériences en ballon.

"Pour voir les particules primaires, nous devons faire voler un instrument dans l'espace. Cela supprime le fond atmosphérique, " Seo a expliqué. " Les expériences précédentes étaient également limitées à des énergies plus basses en raison de la taille de la charge utile et de la durée du vol. ISS-CREAM étendra nos mesures aux énergies les plus élevées possibles et nous permettra d'augmenter notre exposition d'un ordre de grandeur."

L'ISS-CREAM doit également résister à des conditions difficiles bien au-delà de celles rencontrées lors d'une mission en ballon.

"ISS-CREAM doit survivre à un violent lancement de fusée. Un lancement de ballon est très doux en comparaison, " Seo a déclaré. "ISS-CREAM doit également continuer à travailler sans réparations pendant des années, alors qu'un instrument ballon ne doit durer qu'un mois ou deux. Et toute expérience spatiale doit être protégée des radiations, ce qui rend tout plus cher et les processus de conception plus exigeants."

Les particules de rayons cosmiques pourraient aider à résoudre l'une des énigmes scientifiques les plus insaisissables d'aujourd'hui :déterminer la nature de la matière noire. Selon Seo, la théorie suggère que les particules de matière noire pourraient entrer en collision et s'annihiler, résultant en des particules énergétiques de matière conventionnelle que nous reconnaissons comme des rayons cosmiques. Si cette théorie est correcte, l'étude des rayons cosmiques pourrait déboucher sur des pistes prometteuses dans la recherche de matière noire.

"La nature mystérieuse des rayons cosmiques nous rappelle à quel point nous en savons peu sur notre univers. La découverte des rayons cosmiques a donné naissance au domaine de la physique des particules au début du 20e siècle. Mais aucun accélérateur de particules fabriqué par l'homme ne peut atteindre le niveaux d'énergie que nous voyons dans les rayons cosmiques, » a ajouté Seo. « Notre équipe attend avec impatience ce lancement depuis des années. C'est une période très excitante pour nous ainsi que pour d'autres dans le domaine de l'astrophysique des particules de haute énergie."