<<< 
indique un moment où les étudiants sont amenés à discuter/penser à un sujet/concept. 
sindique un moment où une activité est introduite. >>>
IceTop est un détecteur de rayons cosmiques. C’est un réseau d’instruments qui observe les cascades électromagnétiques de particules secondaires créées par les rayons cosmiques lorsqu’ils interagissent avec l’atmosphère de la Terre. Ces données nous permettent d’étudier la composition des rayons cosmiques, la distribution leur direction d’arrivée et la portion extrême du spectre énergétique des rayons cosmiques.
Les rayons cosmiques comprennent des particules comme des électrons, des protons et des noyaux lourds. Leurs sources ne sont pas encore connues mais on pense que ces dernières sont à la fois galactiques et extragalactiques. Le spectre énergétique des rayons cosmiques, qui correspond à la variation du taux de particules selon l’énergie, a été mesuré par de nombreux détecteurs dont IceTop. L’hypothèse actuelle affirme que plus l’énergie augmente, plus les sources extragalactiques deviennent dominantes, si bien qu’elles sont les seules sources émettrices de rayons cosmiques de très haute énergie.
Des mesures précises du spectre des rayons cosmiques peuvent nous aider à mieux comprendre la transition entre les sources galactiques et extragalactiques, et ainsi, mieux comprendre les propriétés des sources de rayons cosmiques.
IceTop détecte des rayons cosmiques dans une fourchette d’énergie allant de 100 TeV à 1 EeV, qui est justement la région de transition entre les rayons cosmiques galactiques et extragalactiques.
Cependant, le taux de rayons cosmiques mesuré par IceTop ne peut pas être directement comparé à d’autres expériences. Pouvez-vous penser à une quantité qui pourrait être utilisée pour comparer les résultats de différents détecteurs?
Indice: Le nombre d’événements de type « rayons cosmiques » observé par un détecteur dépend de sa géométrie et de sa localisation.
Afin de comparer les mesures de différentes expériences, les physiciens utilisent le flux de rayons cosmiques, i.e. le taux auquel les rayons cosmiques arrivent sur Terre pour une aire et un angle donnés.
Que mesure IceTop?
Découvrons ce qu’IceTop voit et peut mesurer.
Ici, nous voyons deux gerbes de rayons cosmiques simulées.
Source : https://web.ikp.kit.edu/corsika/movies/Movies.htm
Dans les deux cas, nous avons un proton de 100 TeV. A gauche, c’est une gerbe verticale. A droite, la gerbe arrive avec un angle de 30 degrés.
Comme vous pouvez le voir sur les animations, pour chaque gerbe de rayons cosmiques, il peut y avoir un million de particules touchant le sol, voire plus. IceTop en détecte seulement quelques unes.
Pouvez-vous identifier quelques propriétés de la gerbe qui vous permettraient de la caractériser?
Maintenant, intéressons-nous à un évènement « rayon cosmique » dans IceTop.
Plusieurs réservoirs d’ IceTop s’illuminent lors d’un évènement de type rayon cosmique. Chacune enregistre le passage d’une (ou de plusieurs) particule(s) venant de la gerbe atmosphérique produite par le rayon cosmique. Le rouge indique les premiers réservoirs qui détectent des particules tandis que le vert et le jaune représentent les détections plus tardives. Plus l’énergie mesurée dans une cuve est grande, plus le rond coloré autour de chaque réservoir est grand.
Pouvons-nous déduire la direction du rayon cosmique incident d’après le motif que la lumière forme dans IceTop? Qu’en est-il de la localisation du centre de la gerbe?
A retenir: IceTop détecte des électrons, des photons, des muons et des hadrons chargés provenant de la cascade electromagnétique grâce à la lumière bleue, appelée lumière Cherenkov, que les particules émettent lorsqu’elles traversent le détecteur. Voir cette lumière Cherenkov dans un réacteur nucléaire ici.
Pouvons-nous apprendre quelque chose sur l’énergie du rayon cosmique incident à partir de la mesure de l’énergie dans le réseau IceTop?
Indice: Depuis déjà bien longtemps, les physiciens étudient les gerbes de rayons cosmiques. Nous savons comment simuler leur forme et leur développement et le signal attendu dans IceTop. Nous avons appris que l’intensité de la gerbe varie selon l’énergie du rayon cosmique primaire, ce qui signifie que l’énergie mesruée par IceTop est un bon observable afin de remonter à l’énergie du rayon cosmique original.
Cliquez ici pour voir quelques évènements dans IceTop. Certains sont de vrais évènements et certains ont été produits à l’aide de simulations. Pouvez-vous deviner lesquels sont réels ? Comme vous le verrez, les évènements réels et simulés sont indistinguables.
Regardons à nouveau les mêmes évènements mais cette fois essayons de mesurer la cascade électromagnétique. En utilisant les différentes animations (voir l’image au-dessous), essayez de localiser le centre de la gerbe (animation de droite) et faites-la correspondre à sa distribution latérale (animation de gauche). Vous pouvez également modifier la direction de la cascade en faisant varier les angles du zénith et de l’azimut. Sauvegardez les résultats une fois que vous l’aurez fait pour la totalité des évènements.
Indice: Rappelez-vous que l’avant (ou front) de la gerbe doit être plat. La ligne pointillée sur l’animation en haut à droite est la projection du front de la gerbe, i.e. elle est orthogonale à l’axe de la gerbe.
Calibration de l’énergie et spectre énergétique du flux de rayons cosmiques
En utilisant vos résultats, nous allons d’abord calibrer notre détecteur. Pour ce faire, utilisez les évènements simulés dans votre tableau de résultats (ceux dont vous connaissez l’énergie, i.e. E>0).
Indice: Chaque événement, qu’il soit réel ou simulé, a aussi un poids dans votre table de résultats. C’est parce que votre échantillon d’événements a été préalablement filtré. IceTop détecte des milliers de rayons cosmiques par jour, mais n’a pas le temps de tous les examiner. Les évènements que vous avez examiné sont représentatifs du réel de ces événements pour une gamme d’énergie donnée. Le poids nous indique combien d’événements ont été trouvés dans cette gamme d’énergie parmi l’échantillon total de données réelles/simulées, qui correspond à un jour de données collectées par IceCube. La dépendance du taux d’événements envers l’énergie est une loi de puissance. Utilisez une échelle logarithmique afin d’obtenir une courbe de calibration simple.
Maintenant vous pouvez utiliser cette courbe de calibration afin d’estimer l’énergie des vrais évènements et obtenir le spectre d’énergie des rayons cosmiques avec IceTop.
Indice: Rappelez-vous que vous devez normaliser le taux par l’exposition du détecteur. Si vous utilisez tous les évènements d’une couleur, l’exposition est 1/6 jour de données d’IceTop = 8.186 10⁶ m² sr s. N’oubliez pas de diviser par l’intervalle d’énergie couvert dans chaque intervalle.
Si vous voulez comparer les résultats avec un véritable article scientifique de la collaboration d’IceCube, vous obtiendrez un meilleur accord en utilisant les six échantillons d’évènements que vous trouverez sur l’outil en ligne d’IceCube.
Félicitations! Vous avez pu reproduire une analyse de la collaboration d’IceCube qui a été publiée dans le Physical Review D en août 2013. Vous pouvez lire l’article ici.
Informations additionnelles:
Lisez les nouvelles à propos de cette analyse sur le site web d’IceCube.
