lundi 17 août 2015

Deux nouveaux détecteurs d’astroparticules très bientôt sur l’ISS

Dans deux jours s’envolera du Japon depuis le centre spatial de Tanegashima le cinquième cargo de ravitaillement japonais à destination de la station spatiale internationale (ISS). Cet événement pourrait passer inaperçu, sauf qu’il emporte un instrument scientifique pas comme les autres, un détecteur de rayons (particules) cosmiques.


On a déjà longuement parlé ici du détecteur d’antiparticules AMS02, qui est installé sur l’ISS depuis 2011 et qui fournit des résultats assez étranges depuis quelques années, avec toujours plus de précision tous les 6 mois environ, sous la forme d’un excès de positrons (anti-électrons) de haute énergie. La station spatiale est de fait un excellent endroit pour étudier les particules venant de l’univers, qu’elles constituent de la matière ou de l’antimatière. Quand on les étudie depuis le sol terrestre en effet, on ne les détecte pas directement mais seulement leurs produits secondaires qu’elles génèrent en interagissant dans l’atmosphère. En orbite, il en est tout autrement car ce sont les particules initiales elles-mêmes que l’on peut attraper. 
Actuel et futurs détecteurs de particules sur l'ISS (A. CUADRA/Science)
Un des inconvénients de ce gros détecteur était sa masse, et son coût, qui dépassait le milliard de dollars. Mais face à la très bonne efficacité obtenue, les physiciens ont eu l’idée d’exploiter à nouveau l’ISS pour y faire de la science, et donc d’y implanter d’autres détecteurs de rayons cosmiques, non pas en remplacement de AMS02, qui fonctionne toujours bien, mais plutôt en complément, pour regarder les particules énergétiques différemment, et pour moins cher. 
Ce tout nouveau détecteur de rayons cosmiques qui devrait arriver à bon port cinq jours après son lancement s’appelle CALET (CALorimetric Electron Telescope). Il est issu d’une collaboration internationale regroupant des japonais, des américains et des italiens. Cet instrument qui n’a coûté que 33 millions de dollars est dévolu à l’étude d’un certain type de particules cosmiques : des électrons de très haute énergie, ainsi que leurs antiparticules. Comme ces électrons perdent rapidement de l’énergie lorsqu’ils voyagent dans le milieu galactique ou extragalactique, les plus énergétiques d’entre eux doivent forcément provenir de moins de quelques milliers d’années-lumière, donc de l’intérieur de notre galaxie.
CALET devrait être à même d’identifier des sources proches capables d’accélérer les électrons, on pense notamment à des résidus de supernovas, mais aussi à des pulsars, et pourquoi à d’autres sources potentielles comme des désintégrations d’hypothétiques particules de matière noire. L’énergie maximale atteignable par CALET sera bien plus élevée que celle de AMS02, mais à l’inverse de AMS02, ne permettra pas de compter tous les types de particules, se focalisant seulement sur les électrons, et ne pouvant d’ailleurs pas distinguer directement électrons et anti-électrons. Mais un excès de positrons pourra tout de même être détecté sous la forme d’un excès global de particules, dont on pourra en extraire un éventuel surplus de positrons par de savantes analyses de données.
Et les physiciens ne s’arrêtent pas là. Dans le courant de l’année prochaine, ce sera au tour d’un troisième détecteur de particules d’être installé à l’extérieur de l’ISS. Celui-là porte un nom plus amusant que les autres : Cosmic Ray Energetics and Mass for the ISS, soit l’acronyme ISS-CREAM qui paraît-il doit se prononcer « Ice Cream »…

ISS-CREAM devrait être lancé par SpaceX en juin 2016 et se focalisera lui, toujours dans un esprit de complémentarité, sur les noyaux lourds de haute énergie, depuis les noyaux d’hydrogène (les protons) jusqu’aux noyaux de fer. La mesure précise de la composition de ces types de « rayons cosmiques » devrait nous en apprendre beaucoup sur les processus qui sont à l’origine de l’explosion des supernovas.
Nos connaissances actuelles sur les rayons cosmiques butent toujours sur une question sans réponse. Dans le spectre en énergie de ces particules, il apparaît ce que les spécialistes appellent le « genou ». C’est en fait la forme du spectre en énergie (la courbe représentant le flux de particules en fonction de leur énergie, en échelle logarithmique) qui décroit assez lentement plus l’énergie augmente, puis soudain, à une énergie de l’ordre de 1016 eV, la pente de la courbe change, montrant une décroissance plus forte, ce qui donne à cette courbe l’aspect d’une jambe pliée.
Spectre en énergie des rayons cosmiques montrant la rupture de pente, appelée "knee" (genou).
Les physiciens pensent aujourd’hui que le “genou” pourrait être l’énergie maximale que pourraient fournir les supernovas à leurs particules par des phénomènes d’accélération. Les particules d’énergie supérieure seraient alors issues de phénomènes physiques ou de sources différents. Comme l’énergie transférée aux particules se fait par des processus électromagnétiques, cette dernière dépend de la charge électrique de la particule en question. Il s’ensuit que plus un noyau atomique est chargé (donc plus il possède de protons), plus son énergie devrait être grande. C’est ce que doit démontrer ISS-CREAM. Si ce mécanisme se trouve exact, les rayons cosmiques ayant une énergie au-delà du genou pourraient être expliqués par l’existence d’accélérateurs naturels plus puissants que les supernovas comme par exemple des trous noirs supermassifs.
Et ce n’est pas encore tout… Les physiciens japonais ne manquent pas d’imagination car ils prévoient d’installer encore un autre détecteur spécifique sur l’ISS, mais dans 6 ans cette fois, qui s’appelle pour l’instant le Extreme Universe Space Observatory at the Japanese Experiment Module (JEM-EUSO). Ce détecteur aura la particularité de scruter les rayons cosmiques de manière indirecte, en observant leurs interactions avec l’atmosphère de la Terre, mais vues du dessus. Il s’agira d’observer la lumière ultra-violette qui est générée par les gerbes de particules secondaires produites par les rayons cosmiques primaires ultra-énergétiques. JEM-EUSO devrait ainsi permettre aux astroparticulistes d’en déduire leur énergie et leur origine.

La station spatiale internationale est donc en passe de devenir un véritable laboratoire de physique des astroparticules et on ne peut que s’en réjouir. On se demande déjà pourquoi ce type d’expériences n’avait pas été imaginé dès le départ de l’ISS il y a plus de 15 ans.

Source :
Science Vol. 349 no. 6248 pp. 572-573  (7 August 2015)
Catching cosmic rays where they live
Emily Conover