Jean-Michel ALIMI Formation « ab-initio » des structures cosmiques Le Projet STEP.
1 Observatoire Pierre Auger Létude des rayons cosmiques de très hautes énergies CPPM 16/03/2009.
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Observatoire Pierre Auger
L’étude des rayons cosmiques de très hautes énergies
CPPM
16/03/2009
Etude des rayons cosmiques autour de 1020 eV
Evénements extrêmement rares
Etat des connaissances en 1995~20 événements au-dessus de 1020 eV
6 expériences avec chacune quelques événements détectés2 expériences en désaccord sur le spectre en énergie
… avec 2 techniques de détection différentes
=> Détecteur géant avec 2 techniques de détection :* réseau de surface : coupe transversale de la gerbe* détecteur de fluorescence : développement longitudinal de la gerbe
Paramètres à mesurer : Direction, Energie, Nature
Définition du détecteur
Etude des rayons cosmiques autour de 1020 eV
Evénements extrêmement rares : 1 evt/km2/sièclesurface de détection importante : 30 evts/an = 3000 km2
Impact au sol important : qq 109 particules sur qq km2
Symétrie/direction du primaire : échantillonnage possibleréseau triangulaire : 1.5km entre détecteur
Synchronisation à moins de 15 ns
=> Détecteur autonome :Alimentation sur batteries rechargées par panneaux solaires
Communications hertziennes avec le monde extérieurMarquage en temps par GPS
Intelligence locale pour gérer l’ensemble
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La détection des gerbes atmosphériques
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The Surface ArrayDetector Station
Communications antenna
Electronics enclosure
3 – nine inchphotomultipliertubes
Solar panels
Plastic tank with 12 tons of water
Battery box
GPS antenna
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Station locale
• Front end– 3 PMs : 9’’ (2 sorties par PM : anode et dernière dynode)– 6 FADC (40 MHz - 10 bits -> 17 bits de dynamique)– Trigger 1 : Cyclone II -> stockage de l’information (~110 Hz)– Données : ~20 µsec autour du trigger - 6x768 bins
• µ-contrôleur :– Lecture DMA de la mémoire de données– Timing : GPS (OnCore UT Motorola) + horloge 100 MHz
(GPS : précision intrinsèque de 8 ns)– Trigger 2 : sélection fine (~20Hz)– Gestion du dialogue avec la station centrale – Contrôles-commandes : tensions PM, lecture des tensions, courants,
températures, contrôle du LED flasher
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Engineering Array : prototypes
Carte ProcesseurCarte Front-end (USA)Carte Slow-control (LAL)Carte Time tagging (Besançon)
tout a été validé lors de la période de
fonctionnement de l’EA
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Carte unifiée
Production terminée en 2005 : 1800 cartes
ASIC TTAG
Electronique : production
succès dans l’EA passage à la production
Réalisation d’un ASIC Time Tagging : dans la carte unifiée
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Variation de la température des PMs
• modification du gain
• correction par calibration sur les muons verticaux
Variation de la température de l'électronique
• dérive de l’horloge 100 MHz
• correction avec le 1 pps du GPS
Température PM1
Température électronique
Dérive 100MHz
Ex. d’actions locales
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Chaque détecteur de surface est équipé d’une unité de réseau sans fil qui communique avec
une station de base située sur une tour de concentration :
• 28 secteurs wireless LAN, chacun pouvant accéder à 60 détecteurs
• réalisation en laboratoire du matériel et protocoles propriétaires
• le réseau opère dans la bande industrielle, scientifique et médical (ISM) : 902-928 MHz
• time-division multiple access (TDMA)
• ‘’over-the-air’’ bit rate de 200 kbits/s partagé entre toutes les stations d’un secteur
• volume de données 1200 bits/s pour chaque station
• le protocole garantit un accès au réseau à chaque détecteur toutes les secondes
Le réseau de surface
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• liaison point à point entre les concentrateurs de données
• réseau micro-ondes utilisant une architecture de télécommunications standard
• équipement disponible dans le commerce
• fonctionne dans la bande de 7 GHz
• chaque liaison a une capacité of 34 Mbps
• 2 branches aboutissant à une station centrale
Les liens micro-ondes
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Présentation globale
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Los Leones
Cuhueco
Loma Amarilla
Los Morados
SD le 01/04/20091652 tanks deployed1644 with water1624 with electronics1593 tanks running 31 tanks down
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• détecteurs : toutes les secondes ~20 alertes -> station centrale alerte : dépôt d'énergie dans le détecteur. Envoi du temps précis de l'événement et une valeur grossière de l'énergie. Utilise environ la moitié de la bande passante. conservation des données 5s dans la station locale.
• station centrale : corrélation géographique et temporelle 3 détecteurs proches ou plus dans un temps l’ordre de 6 µsec
• station centrale : demande des données si corrélation avérée décision en moins de 2s
• détecteurs : envoie des données correspondantes + calibration chaque seconde, par paquets dans la bande passante restante ------------------------------
+ détecteurs : envoie des données de monitoring (/6 min)
Fonctionnement
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Près du coeur de la gerbe : - beaucoup d'énergie déposée - durée courte (<750 ns)
Loin du coeur de la gerbe : - peu d'énergie déposée - longue durée (~ 3s)
Détecteur de fluorescence
Détecteur de fluorescence
Miroir sphérique (3,5x3,5 m2 )
Caméra (440 PM)
Hybrid Event
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Auger en quelques chiffres :
• 17 pays, 60 institutions
• deux sites pour couvrir tout le ciel :
• hémisphère sud : Malargüe (Argentine)
• hémisphère nord : Lamar (Colorado-USA)
• observatoire sud approuvé et financé en 1999
• coût du site sud : 48 M$ (WBS)
• réseau de surface de 1600 stations
• 24 détecteurs de fluorescence sur 4 sites
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Auger en France
• 3 départements du CNRS (PNC, SU, SPI) dans la phase de conception
• 5 laboratoires de l’IN2P3 aujourd’hui
• budget de 3 M€ pour le site sud
• 1,5 M€ du CNRS
• 510 k€ de l’IN2P3
• 120 k€ de l’INSU
• 350 k€ de la région Ile-de-France
• 520 k€ du programme Astroparticule
• construction :
• bases photomultiplicateurs (IPN)
• électronique et logiciels des stations locales (PCC-APC)
• liens micro-ondes entre concentrateurs/station centrale (LPNHE)
• matériels et logiciels de la station centrale (LPNHE)
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Energy spectrum from SD < 60°
Calibration unc. 18%FD syst. unc. 22%
5165 km2 sr yr ~ 0.8 full Auger year
Exp Obs>1019.6 132 +/- 9 51
> 1020 30 +/- 2.5 2
Slope = -2.62 ± 0.03
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