Installation exposée du module d'expérimentation japonais sur la Station spatiale internationale. CALET est installé sur le port #9. Crédit :Adriani et al.
Les avancées récentes dans l'observation des rayonnements de haute énergie, y compris les rayons X et les rayons gamma, ont dévoilé de nombreux aspects de haute énergie de l'univers. Pour parvenir à une compréhension complète de ces rayonnements, cependant, les chercheurs doivent en savoir plus sur les particules de haute énergie (c'est-à-dire les rayons cosmiques) qui les produisent. En réalité, les rayonnements non thermiques caractérisés par le spectre de la loi de puissance sont tous soutenus par l'accélération et la propagation de ces rayons.
Une observation directe de ces rayons cosmiques ne peut être obtenue qu'en plaçant avant tout des instruments de mesure, ou la plupart, de l'atmosphère terrestre. En outre, comme ces particules les plus énergétiques sont assez rares, leur étude nécessite des temps d'observation significativement longs. La Station spatiale internationale (ISS) est donc un lieu idéal pour collecter ces observations.
La collaboration CALET, une grande équipe de chercheurs de plusieurs universités de renom dans le monde, a développé un instrument qui peut identifier les particules de haute énergie (par exemple, les électrons, protons et autres noyaux atomiques) et mesurer avec précision leur énergie. Ils ont ensuite placé cet instrument sur l'ISS et l'ont utilisé pour collecter une mesure directe du spectre des protons des rayons cosmiques. Dans un article récent publié dans Lettres d'examen physique , les chercheurs ont présenté l'analyse et les résultats de leurs mesures.
"Afin d'observer les rayons cosmiques, en particulier les rayons cosmiques galactiques, il est nécessaire de les détecter à haute altitude où l'atmosphère restante est suffisamment mince, " la collaboration CALET a déclaré à Phys.org, par email. "Dans ce but, de nombreux instruments sont conçus et pilotés pour effectuer des observations directes pendant des années. Par conséquent, nous avons maintenant une image standard des rayons cosmiques galactiques et savons que les rayons cosmiques sont accélérés par les ondes de choc dans les restes de supernova, se propager par diffusion à travers l'irrégularité du champ magnétique galactique, et enfin s'échapper de notre Galaxie."
Depuis le début du 21 st siècle, les chercheurs ont fait des progrès significatifs dans l'observation des rayons cosmiques en utilisant des techniques de détection de particules développées dans des expériences de collisionneur. Au cours des dernières décennies, des expériences spatiales qui tirent parti du manque d'atmosphère de la Terre ont également suggéré l'apparition d'un durcissement spectral inattendu des rayons cosmiques tels que les protons, en contradiction avec les prédictions précédentes du spectre à loi de puissance unique. Les chercheurs ont proposé plusieurs modèles théoriques pour expliquer ce durcissement spectral observé, qui font encore l'objet d'un débat actif.
Le télescope calorimétrique à électrons (CALET) créé par la collaboration CALET est un instrument spatial optimisé pour mesurer le spectre tout électron et équipé d'un calorimètre entièrement actif. Leur instrument peut mesurer les principaux composants des rayons cosmiques, y compris les protons, noyaux légers et lourds dans la gamme d'énergie jusqu'à 1 PeV.
Vue schématique du calorimètre CALET, composé d'un détecteur de charge (CHD), Calorimètre imageur (IMC), et le calorimètre à absorption totale (TASC). Crédit :Adriani et al.
« CALET a été optimisé pour la mesure des électrons des rayons cosmiques, mais est aussi magnifiquement capable d'identifier d'autres particules chargées :les protons (qui sont des noyaux d'hydrogène), noyaux d'hélium, et des noyaux d'éléments plus lourds, " a expliqué la collaboration CALET.
CALET est composé de trois systèmes de détection, chacun composé de divers types de scintillateurs qui émettent une impulsion de lumière lorsqu'ils sont pénétrés par une particule chargée. Le détecteur de charge (CHD) à son sommet permet d'identifier la charge de la particule incidente (c'est-à-dire 1 pour les électrons et les protons, 2 pour les noyaux d'hélium, etc.), tandis qu'un calorimètre imageur (IMC) complète la mesure de charge du CHD, identifie la trajectoire de la particule et commence à mesurer son énergie. Le dernier composant de CALET est un calorimètre à scintillation à absorption totale (TASC); un empilement très épais [26,4 cm] de scintillateurs à haute densité (tungstate de plomb) suffisamment épais pour contenir toute la pluie de particules initiée par l'interaction de la particule avec de fines couches de tungstène intercalées entre les scintillateurs dans l'IMC. Le composant TASC est plus épais que n'importe quel calorimètre spatial développé précédemment, ce qui donne à CALET une précision et une gamme de mesure d'énergie sans précédent.
CALET a été officiellement lancé le 19 août, 2015 et installé sur le Japanese Experiment Module-Exposed Facility sur l'ISS, avec une durée de mission prévue de cinq ans ou plus. Les observations scientifiques des chercheurs ont commencé quelques mois plus tard, le 13 octobre, et des opérations continues ont été menées depuis.
"Notre analyse des données consiste en un étalonnage du détecteur, reconstitution d'événement, sélection proton-candidat basée sur la charge et d'autres quantités, estimation de la contamination restante et sa soustraction, déploiement d'énergie compte tenu de la réponse du détecteur et de la détection-
correction d'efficacité, " a expliqué la collaboration CALET. " L'évaluation détaillée des incertitudes systématiques, y compris la mise au point et la validation de la simulation Monte Carlo à l'aide des résultats des tests de faisceau au CERN-SPS, est un autre point clé de cette analyse. "
Les récents résultats publiés par les chercheurs sont basés sur des données de vol jusqu'au 31 août. 2018. L'ensemble de données entièrement calibré et reconstruit qu'ils ont collecté, surnommé 'niveau 2, " s'élevait à plus de 30 To, pourtant, le spectre de protons résultant n'en était que de quelques Ko. L'instrument spatial CALET a permis de mesurer le spectre protonique des rayons cosmiques de 50 GeV à 10 TeV couvrant, pour la toute première fois, l'ensemble de l'intervalle d'énergie qui a été précédemment étudié dans des sous-gammes distinctes en utilisant différents spectromètres magnétiques (par exemple BESS-TeV, PAMÉLA, et AMS-02) et des instruments calorimétriques (par exemple ATIC, CRÈME, et NUCLEON), avec un seul instrument.
Spectre de protons cosmiques mesuré par CALET (points rouges) de 50~GeV à 10~TeV, ainsi que des mesures directes récentes. Crédit :Adriani et al.
« CALET a fourni une mesure précise du spectre d'énergie des protons des rayons cosmiques sur une plus large gamme d'énergies qu'à partir de tous les résultats précédemment publiés d'autres instruments, " les chercheurs ont dit. " Les résultats de CALET concordent avec les mesures antérieures à des énergies plus basses, et étendre ces mesures à des énergies plus élevées."
A l'aide de CALET, les chercheurs ont finalement pu établir que l'intensité des protons à des énergies plus élevées est nettement supérieure à ce que l'on pourrait attendre d'une simple extrapolation du spectre d'intensité à partir d'énergies plus basses, ce qui avait déjà été suggéré par des mesures antérieures. Ce « durcissement » du spectre des protons de haute énergie exige une modification des méthodes antérieures de production et de propagation des rayons cosmiques à travers notre galaxie.
"CALET fournit une mesure directe précise du spectre protonique des rayons cosmiques dans une large gamme d'énergie de 50 GeV à 10 TeV montrant un durcissement progressif dans la région du TeV, limitant ainsi sévèrement les modèles actuels d'accélération et de propagation des rayons cosmiques galactiques discutant du durcissement généralement observé des spectres de noyaux, " expliquent les chercheurs. " La mesure CALET permet de dresser un tableau expérimental cohérent, surmonter le problème de longue date de la connexion des mesures précises effectuées par les spectromètres magnétiques en dessous d'environ 1 TeV, avec des mesures calorimétriques réalisées par des expériences de ballon à des énergies supra-TeV. Nous pensons que cela pourrait être considéré comme l'un des faits saillants de l'histoire des mesures du spectre des protons."
En plus de confirmer l'existence d'un durcissement spectral, les mesures recueillies par la collaboration CALET pourraient éclairer les calculs utilisés dans les recherches indirectes de matière noire, les neutrinos atmosphériques et cosmogéniques, ainsi que la physique des rayons gamma. Les chercheurs envisagent maintenant de tester une autre hypothèse liée à une éventuelle coupure dépendante de la charge dans les spectres des noyaux, ce qui expliquerait le "genou" observé dans le spectre toutes particules. Cette hypothèse ne peut être testée directement qu'avec des mesures recueillies dans des expériences spatiales d'une durée significative, avec une exposition importante et avec la capacité d'identifier des éléments individuels sur la base de mesures de charge.
"La limite d'accélération des restes de supernova calculée avec des paramètres standard s'avère généralement bien inférieure à l'énergie du" genou, ' comme observé indirectement par les détecteurs au sol, " les chercheurs ont expliqué. " Par conséquent, l'observation directe précise des spectres du proton et de l'hélium à haute énergie est très importante. Des statistiques améliorées et une meilleure compréhension de l'instrument sur la base de l'analyse de données de vol supplémentaires au cours des cinq années (ou plus) d'observations en cours pourraient révéler une coupure d'énergie dépendant de la charge, probablement en raison de la limite d'accélération dans les restes de supernova dans les spectres de protons et d'hélium, ou fixer des contraintes importantes sur les modèles d'accélération."
© 2019 Réseau Science X
