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Les rayons cosmiques les plus énergétiques proviennent d’au-delà de notre galaxie

 

Voir le communiqué de presse du CNRS

 

Communiqué de la collaboration Pierre Auger :

Dans un article publié dans Science la Collaboration Pierre Auger présente les résultats de ses recherches montrant que les rayons cosmiques d’une énergie un million de fois supérieure à celle des protons accélérés dans le Grand Collisionneur de Hadron (LHC, au CERN) proviennent de bien au-delà de notre Galaxie.


Depuis que des rayons cosmiques avec des énergies de plusieurs Joules ont été observés dans les années 1960, la question de savoir si de telles particules sont produites au sein de la Voie lactée ou dans des objets extragalactiques éloignés fait débat. Ce mystère vieux de 50 ans a été résolu en étudiant des particules cosmiques d'énergie moyenne de 2 Joules détectées avec le plus grand observatoire de rayons cosmiques jamais construit, l'Observatoire Pierre Auger en Argentine. À ces énergies, on mesure un flux de rayons cosmiques en provenance d’un côté du ciel environ 6% plus élevé que du côté opposé, le maximum de flux pointant dans une direction située à 120 ° du centre Galactique.

Gerbe

Vue d’artiste d’une gerbe atmosphérique
au-dessus d’un détecteur de particules
de l’Observatoire Pierre Auger,
sur fond de ciel étoilé.


© A. Chantelauze, S. Staffi, L. Bret

Le commissioning de la ligne de transport basse énergie (LEBT) pour l’accélérateur du projet MYRRHA a été achevé avec succès au mois de mai dernier. Sa conception et sa réalisation sont le fruit d’une collaboration entre le centre de recherche Belge du SCK-CEN et le LPSC, où la ligne a été entièrement installée et exploitée pour des études de dynamique du faisceau. Ceci représente une première étape dans la construction de l’accélérateur du projet MYRRHA.

 

L’accélérateur de MYRRHA

Porté par le SCK-CEN, le projet MYRRHA a pour objectif de construire un réacteur hybride (ou ADS pour Accelerator Driven system) de recherche, à Mol en Belgique, afin notamment d’étudier la transmutation de certains déchets nucléaires. Il requiert un accélérateur linéaire (LINAC) de haute énergie (600 MeV) fournissant un faisceau de protons d’intensité élevée (4 mA). Cet accélérateur doit atteindre un niveau de fiabilité unique au monde: moins de 10 arrêts faisceau de durée supérieure à 3 secondes par cycle opératoire de 3 mois. Pour atteindre cet objectif, il est absolument nécessaire de s’assurer de la bonne qualité du faisceau en sortie d’injecteur afin de limiter les pertes dans la suite de l’accélérateur.

Ligne basse énergie et charge d’espace

La LEBT, premier maillon de l’injecteur, joue donc un rôle crucial car elle permet de transporter et de conditionner le faisceau depuis la source de proton vers la suite du LINAC. Un programme expérimental a été mené par le LPSC pour optimiser le transport du faisceau dans la LEBT en exploitant notamment le phénomène de compensation de la charge d’espace. A basse énergie cinétique (ici des protons à 30 keV) la dynamique du faisceau est dominée par des effets non-linéaires du champ de charge d’espace généré par le faisceau sur lui-même. Ce champ a un effet dé-focalisant et il peut engendrer des pertes faisceau, dans la LEBT mais aussi dans la suite du LINAC.

 

La ligne basse énergie de MYRRHA installée au LPSC

La ligne basse énergie de MYRRHA installée au LPSC © LPSC

 

Cependant, le faisceau interagit aussi avec le gaz résiduel présent dans la chambre à vide et ionise celui-ci. Les électrons créés sont piégés par le potentiel du faisceau de protons. Ainsi, la charge globale du faisceau est compensée et la charge d’espace partiellement neutralisée. Ce phénomène complexe, difficile à modéliser, a été mis en évidence lors des tests de la LEBT, quantifié en fonction de la pression et du type de gaz résiduel, et utilisé pour optimiser la transmission dans la LEBT de MYRRHA.

La première salle de contrôle à distance depuis la France des télescopes de fluorescence de l’Observatoire Pierre Auger situé en Argentine est entrée en service au LPSC.

 

L’Observatoire Pierre Auger, qui déploie son réseau de détecteurs sur 3000 km2 dans la pampa argentine, est un projet phare dans l’étude des rayons cosmiques. Plus de 400 scientifiques de 16 pays différents collaborent pour déterminer l’origine et la nature ses particules les plus énergétiques de l’Univers et comprendre comment elles atteignent des énergies aussi extrêmes. La rareté de ces rayons cosmiques extrêmement énergétiques impose qu’on les étudie en caractérisant les grandes gerbes de particules qu’ils génèrent dans l’atmosphère. L’Observatoire utilise conjointement les deux techniques de détection des gerbes atmosphériques qui ont déjà fait leurs preuves, alliant un détecteur de surface constitué de 1660 cuves à effet Cherenkov échantillonnant les particules de la gerbe arrivant au sol, et d’un détecteur de fluorescence comprenant 27 télescopes mesurant le développement longitudinal de la gerbe.

Le fonctionnement du détecteur de surface est contrôlé continument, mais ne nécessite pas une surveillance de chaque instant. Le détecteur de fluorescence est en opération les nuits sans lune et claires. Son fonctionnement doit être surveillé constamment, et nécessite donc la présence de « shifters » à l’Observatoire, chaque mois, pendant environ une vingtaine de nuits d’affilée. Depuis 2014 s’est mis en place dans la Collaboration Pierre Auger un système de « Remote shifts » : à partir de salles de contrôle reproduisant celle existant à l’Observatoire, il est possible de contrôler et piloter à distance les détecteurs de fluorescence, et les Lidars qui mesurent la transparence de l’atmosphère au dessus de l’Observatoire. Il en existe au Mexique, en Allemagne, en Italie. En France, c’est au LPSC qu’elle vient d’être installée. L’avantage majeur de la mise en œuvre de « shifts » à distance est de supprimer les coûts liés aux missions (voyage et séjour) impactant chaque institut devant s’acquitter de son quota de shifts. De plus, le décalage horaire permet de limiter la part de travail nocturne des « shifteurs » sur le site de l’Observatoire, les collaborateurs IN2P3 prenant la relève vers 2h du matin heure argentine, soit dès potron-minet en France !IMG 2205