Identification au gigahertz des grandes gerbes atmosphériques – GIGAS

Nous avons conçu, construit puis installé une série de capteurs radio autonomes sensibles aux émissions gigahertz sur une partie des détecteurs de particules constituant le réseau de surface du site sud de l'Observatoire Pierre Auger en Argentine. Ce démonstrateur que nous avons réalisé avec différentes technologies fonctionne dans deux gammes de fréquences, la bande L entre 1 et 2 GHz et la bande C entre 3.4 et 4.2 GHz. Au total nous avons installé 75 antennes en 3 sous réseaux qui couvrent une surface légèrement supérieure à 100 km2. GIGAS conjugue l'exploitation du signal micro-ondes des cascades et les capacités de détection et de reconstruction d'un réseau classique de détecteurs de particules. Notre équipe est la seule au monde à utiliser une telle approche où la détection radio est associée au niveau fondamental avec des détecteurs de particules. Le principe de la mesure consiste à numériser en continu la puissance du signal radio reçu par l’antenne avec une résolution temporelle de 25 nanosecondes. Lorsque les particules de la cascade atteignent le sol le détecteur d’Auger déclenche l’enregistrement d’une séquence temporelle de 20 microsecondes comprenant donc presque un millier de points le long du profil d’émission radio de la cascade.

Nous avons enregistré au total une dizaine d’événements où le signal radio est clairement identifiable. Ces signaux proviennent tous de cascades d’énergie supérieure à 10 EeV dont le pied de gerbe est à moins de 250 mètres du détecteur. Cette caractéristique remet en cause l’origine du signal qui ne peut être attribué sans équivoque au MBR. Par ailleurs la faiblesse du signal nous a conduis à étudier en détail les mécanismes de l’émission dans les conditions particulières des cascades atmosphériques. Ces calculs sont complexes et souffrent d’approximations difficiles à valider, en dehors de l’expérimentation directe. Ils constituent cependant une avancée notable par rapports aux estimations existantes. Le rayonnement MBR des grandes gerbes atmosphériques est bien plus faible que ce que les publications faites avant 2012 avançaient. Malgré la grande sensibilité de nos capteurs aucun signal n’a pu être attribué de manière non ambiguë à ce mécanisme.

Publications:

• Molecular Bremsstrahlung Radiation at GHz Frequencies in Air, Imen Al Samarai, Corinne Bérat, Olivier Deligny, A. Letessier-Selvon, F. Montanet, Mariangela Settimo, Patrick Stassi, Phys.Rev. D93 (2016) no.5, 052004

• An Estimate of the Spectral Intensity Expected from the Molecular Bremsstrahlung Radiation in Extensive Air Showers, Imen Al Samarai, Olivier Deligny, D. Lebrun, A. Letessier-Selvon, F. Salamida , Astropart.Phys. 67 (2015) 26-32

• The Small Contribution of Molecular Bremsstrahlung Radiation to the Air-Fluorescence Yield of Cosmic Ray Shower Particles, Imen Al Samarai, Olivier Deligny, Jaime Rosado, Astropart.Phys. 83 (2016) 1-5

• GIGAS, a set of microwave detector arrays to measure molecular Bremsstrahlung radiation from extensive air shower, Romain Gaior, Imen Al Samarai, Corinne Bérat, Olivier Deligny, Antoine Letessier-Selvon, François Montanet, Mariangela Settimo, Patrick Stassi, Hervé Lebbolo, submited to Nucl. Instr. And Meth. A, september 2017

Bien que très prometteuse, la technique de détection radio des EAS pour explorer les plus hautes énergies en instrumentant des surfaces de l’ordre de plusieurs dizaines de milliers de kilomètres carrés n’est finalement pas adaptée. L’estimation de l’intensité de l’émission donnée par l’expérience SLAC T471 s’est avérée pour le moins fantaisiste avec un écart d’au moins deux ordres de grandeur d’après les estimations plus fines et les tentatives de mesures expérimentales qui ont suivies.

Il est possible qu’une détection non ambiguë du signal MBR des EAS puisse être faite dans le futur mais elle nécessitera une infrastructure et des ressources bien plus importantes. Pour améliorer la sensibilité des capteurs de plusieurs ordres de grandeur il semble indispensable de refroidir les antennes pour abaisser la température système à quelques degrés (contre plusieurs dizaines de degrés, de 50 à 100, pour les capteurs GIGAS) et d’augmenter la surface effective des antennes à plusieurs mètres carrés (contre quelques dizaines de centimètres carrés). Ce type d’infrastructure, proche de celle des détecteurs à fluorescence actuellement en service dans Auger (la cryogénie en moins) pourrait être éventuellement mis en place pour couvrir un réseau de dizaine de milliers de kilomètres carrés mais n’est certainement pas bon marché.

Thèses publiés:
• Extensive air shower identification using electron radiometer, Romain Gaior, 2013

• Different approaches to determine the composition of the ultra-high energy cosmic rays in the Pierre Auger Observatory, Miguel Blanco Otano, 2014

• Radiodétection des gerbes atmosphériques à l'observatoire Pierre Auger, Sandra Le Coz, 2014

Publications avec comité de lecture :
• Molecular Bremsstrahlung Radiation at GHz Frequencies in Air, Imen Al Samarai, Corinne Bérat, Olivier Deligny, A. Letessier-Selvon, F. Montanet, Mariangela Settimo, Patrick Stassi, Phys.Rev. D93 (2016) no.5, 052004

• An Estimate of the Spectral Intensity Expected from the Molecular Bremsstrahlung Radiation in Extensive Air Showers, Imen Al Samarai, Olivier Deligny, D. Lebrun, A. Letessier-Selvon, F. Salamida , Astropart.Phys. 67 (2015) 26-32

• The Small Contribution of Molecular Bremsstrahlung Radiation to the Air-Fluorescence Yield of Cosmic Ray Shower Particles, Imen Al Samarai, Olivier Deligny, Jaime Rosado, Astropart.Phys. 83 (2016) 1-5

• GIGAS, a set of microwave detector arrays to measure molecular Bremsstrahlung radiation from extensive air shower, Romain Gaior, Imen Al Samarai, Corinne Bérat, Olivier Deligny, Antoine Letessier-Selvon, François Montanet, Mariangela Settimo, Patrick Stassi, Hervé Lebbolo, submited to Nucl. Instr. And Meth. A, september 2017

Publications d’actes de conférences (invité):
• Studies of the microwave emission of extensive air showers with GIGAS and MIDAS at the Pierre Auger Observatory, Romain Gaïor, ICRC2017
• Recent results and developments of EASIER, Romain Gaïor, Rencontres de Moriond 2017
• Detection of Cosmic Rays Using Microwave Radiation at the Pierre Auger Observatory, Romain Gaïor, ICRC2013
• Intensity of Microwave Signals Expected from Molecular Bremsstrahlung Radiation in Extensive Air Showers, Imen Al Samarai ICRC2015
• An estimate of the spectral intensity expected from the molecular Bremsstrahlung radiation in extensive air showers, Imen Al Samarai ARENA2014
• Radio detection of Cosmic Rays in the GHz band at the Pierre Auger Observatory, Imen Al Samarai ARENA2014

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.