Crédit d'image: Fermilab
Le 100e détecteur de l'Observatoire Pierre Auger a été récemment achevé, faisant de ce réseau le plus grand détecteur de rayons cosmiques au monde. Une fois qu'il fonctionne, le détecteur devrait être capable de capturer certaines des particules de rayons cosmiques les plus énergétiques - elles ne frappent une zone de 2,5 kilomètres carrés qu'une fois par an. Le mystère de ces particules de haute énergie est que les astronomes n'ont aucune idée de ce qui pourrait les créer dans l'Univers. Le plan à long terme pour l'observatoire est de disposer à terme de 1 600 détecteurs d'ici 2005.
Avec l'achèvement de son centième détecteur de surface, l'Observatoire Pierre Auger, en construction en Argentine, est devenu cette semaine le plus grand réseau de douches à air à rayons cosmiques au monde. Géré par des scientifiques du Laboratoire national des accélérateurs de Fermi du Département de l'énergie, le projet Pierre Auger comprend jusqu'à présent un ensemble de détecteurs de 70 miles carrés qui suivent les processus les plus violents et peut-être les plus déroutants de l'univers entier.
Les rayons cosmiques sont des particules extraterrestres - généralement des protons ou des ions plus lourds - qui frappent l'atmosphère terrestre et créent des cascades de particules secondaires. Alors que les rayons cosmiques s'approchent de la Terre à une gamme d'énergies, les scientifiques ont longtemps cru que leur énergie ne pouvait pas dépasser 1020 électron-volts, soit environ 100 millions de fois l'énergie protonique réalisable dans le Tevatron du Fermilab, l'accélérateur de particules le plus puissant du monde. Mais des expériences récentes au Japon et en Utah ont détecté quelques-uns de ces rayons cosmiques à ultra-haute énergie, ce qui soulève des questions sur les événements extraordinaires dans l'univers qui auraient pu les produire.
"Comment la nature crée-t-elle les conditions pour accélérer une minuscule particule à une telle énergie?" a demandé Alan Watson, professeur de physique à l'Université de Leeds, Royaume-Uni, et porte-parole de la collaboration Pierre Auger de 250 scientifiques de 14 pays. «Le suivi de ces particules à ultra-haute énergie vers leurs sources répondra à cette question.»
La théorie scientifique peut expliquer les sources des rayons cosmiques de basse et moyenne énergie, mais l'origine de ces rares rayons cosmiques de haute énergie reste un mystère. Pour identifier les mécanismes cosmiques qui produisent des particules microscopiques à l'énergie macroscopique, la collaboration Pierre Auger installe un réseau qui comprendra à terme 1600 détecteurs de surface dans une zone de la Pampa Amarilla argentine de la taille de Rhode Island, près de la ville de Malarg? E, à environ 600 miles à l'ouest de Buenos Aires. Les 100 premiers détecteurs surveillent déjà le ciel austral.
"Ces rayons cosmiques de la plus haute énergie sont des messagers de l'univers extrême", a déclaré le prix Nobel Jim Cronin, de l'Université de Chicago, qui a conçu l'expérience Auger avec Watson. «Ils représentent une formidable opportunité de découvertes.»
Les rayons cosmiques de la plus haute énergie sont extrêmement rares, frappant l'atmosphère terrestre environ une fois par an par mile carré. Lorsqu'il sera terminé en 2005, l'observatoire Pierre Auger couvrira environ 1 200 milles carrés (3 000 kilomètres carrés), permettant aux scientifiques de capturer bon nombre de ces événements.
"Notre expérience reprendra là où l'expérience AGASA s'est arrêtée", a déclaré le chef de projet Paul Mantsch, Fermilab, faisant référence à l'expérience Akeno Giant Air Shower Array (AGASA) au Japon. «Aux énergies les plus élevées, les résultats étonnants des deux plus grandes expériences de rayons cosmiques semblent être en conflit. AGASA voit plus d'événements que l'expérience HiRes dans l'Utah, mais les statistiques des deux expériences sont limitées. »
Le projet Pierre Auger, du nom du physicien pionnier français qui a observé pour la première fois des douches à air prolongées en 1938, combine les méthodes de détection utilisées dans les expériences japonaises et utahiennes. Les détecteurs de surface sont espacés d'un mile. Chaque unité de surface se compose d'un réservoir cylindrique de 4 pieds de haut rempli de 3 000 gallons d'eau pure, d'un panneau solaire et d'une antenne pour la transmission sans fil des données. Les capteurs enregistrent les avalanches de particules invisibles, déclenchées à une altitude de six à douze milles quelques microsecondes plus tôt, lorsqu'elles atteignent le sol. Les averses de particules frappent plusieurs réservoirs presque simultanément.
En plus des réservoirs, le nouvel observatoire comprendra 24 télescopes à fluorescence de type HiRes qui peuvent capter la faible lueur ultraviolette émise par les douches aériennes en plein air. Les télescopes à fluorescence, qui ne peuvent fonctionner que pendant les nuits sombres et sans lune, sont suffisamment sensibles pour capter la lumière émise par une lampe de 4 watts se déplaçant à six miles de distance à presque la vitesse de la lumière.
«C'est vraiment très beau d'avoir un système hybride», a déclaré Watson. «Nous pouvons regarder les douches aériennes en deux modes. Nous pouvons mesurer leur énergie de deux manières indépendantes. »
La collaboration Pierre Auger est en train de préparer une proposition pour un deuxième site de son observatoire, qui sera situé aux États-Unis. Doté du même design que le site argentin, le second réseau de détecteurs balayerait le ciel nordique pour rechercher les sources des rayons cosmiques les plus puissants.
Le financement de l'Observatoire Pierre Auger de 55 millions de dollars en Argentine provient de 14 pays membres. Les États-Unis contribuent à 20% du coût total, avec le soutien du Bureau des sciences du Département de l'énergie et de la National Science Foundation. Une liste de toutes les institutions participantes est disponible sur http://auger.cnrs.fr/collaboration.html
Le Fermilab est un laboratoire national financé par l'Office of Science du Département américain de l'Énergie, géré par Universities Research Association, Inc.
Source d'origine: Communiqué de presse du Fermilab
