La mission

La collaboration AMS a installé en Mai 2012 sur la station spatiale internationale ISS, un système de détection et d'identification des particules cosmiques. Celui-ci est optimisé pour étudier la quantité d'antimatière présente dans l'univers et tente de résoudre l'énigme de la dissymétrie localement observée. La mise en évidence d'un seul anti-noyau "lourd" suffirait à prouver l'existence d'anti-galaxies, d'anti-étoiles et peut-être d'anti-planètes. Mais c'est aussi à d'autres interrogations concernant la matière noire, la propagation des rayons cosmiques et les photons de grande énergie que cette étude apportera de nouveaux éléments d'investigation.

 

Le détecteur:

AMS02 est un spectromètre magétique, c'est à dire un instrument capable de mesurer les trajectoires des particules chargées électriquement qui le traversent et qui sont courbées par son champ magnétique. La courbure dépend de l'impulsion et de la charge électrique de la particule, tandis que le sens de la courbure dépend du signe de la charge électrique. D'autres parties de l'instrument donnent des mesures de la charge électrique (sans le signe), de la vélocité (le rapport entre la vitesse de la particule et la vitesse de la lumière dans le vide), de l'énergie, ou encore donnent un signal différent selon la nature de la particule. L'ensemble des informations venant des différentes parties de l'instrument permettent ainsi de déterminer la nature de la particule, son impulsion, et sa direction. On peut ainsi déterminer des flux et des spectres en énergie pour chaque type de particule, et éventuellement détecter des anomalies qui signent la présence d'un phénomène nouveau.Le cœur d'AMS est constitué par un aimant permanent de volume intérieur cylindrique de 1,114 mètres de diamètre et de 83 cm de haut, donnant une ouverture pour les particules de 0,8 m2.Sr. Le champ magnétique créé courbe les trajectoires de particules chargées électriquement qui traversent l'appareil. Huit plans de détecteur de traces au silicium (TRK) mesurent avec précision des points sur cette trajectoire et permettent de la reconstruire géométriquement. Au-dessus et au-dessous du détecteur de traces il y a deux plans de détecteur à scintillation, les compteurs Temps de Vol (TOF), qui signalent le passage d'une particule et donnent son sens de parcours. Le cylindre intérieur de l'aimant est aussi tapissé de Compteurs à Scintillation "Veto" (ACC) qui signalent lorsqu'une particule est détruite par collision sur la matière en traversant le détecteur et donc de ne pas en tenir compte. Au dessus des compteurs TOF supérieurs se trouve le Détecteur à Radiation de Transition (TRD) pour aider à l'identification des électrons et positons. En dessous du TOF inférieur on trouve tout d'abord le Compteur Cerenkov à Imagerie Annulaire (RICH) pour l'identification des noyaux atomiques, incluant le contenu isotopique du noyau, et enfin le Calorimètre Electromagnétique (ECAL) qui absorbe et mesure l'énergie des particules électromagnétiques et complète leur identification. L'instrument complet, avec une redondance des mesures cinématiques et des mesures d'identification des particules a ainsi de très grandes performances.

AMS02expl 2002

Transition Radiation Detector (TRD)

 

 

 

Time of Flight detector (TOF)

 

 


Silicon Tracker (TRK)

Anticoincidence Counter (ACC)

Magnet (MG)

 

 


Time of Flight detector (TOF)

 

 


Ring Image Cherenkov counter (RICH)

 

 


Electromagnetic Calorimeter (ECAL)

 

Les enjeux de physique :

L'instrument AMS a été conçu pour mesurer et identifier avec une très grande précision les rayons comiques chargés électriquement. Ces rayons cosmiques chargés comprennent non seulement les particules dites élémentaires: protons, électrons, positons, antiprotons, mais aussi des noyaux atomiques créés dans les étoiles et particulièrement dans les supernovae et éjectés dans l'espace. L'instrument a aussi une grande ouverture, pour recueillir un grand nombre de ces particules et donc pour étudier les phénomènes physiques avec la plus grande statistique possible. AMS02 permet aussi d'étudier les rayons gamma de haute énergie, car même si ceux-ci ne sont pas chargés électriquement, lorsqu'ils traversent le détecteur ils interagissent avec la matière qui le compose et soit se convertissent dans le détecteur de traces en un couple électron-positon aisément identifiable et mesurable, soit se convertissent dans le calorimètre en produisant une gerbe de particules électromagnétiques qui permet de calculer leur énergie et la direction d'où ils viennent.

L'antimatière:

C'est une question fondamentale dont la réponse pourrait bouleverser notre conception de l'univers et de sa formation. Lors de la naissance de l'univers, juste après le Big-Bang, la matière et l'antimatière formaient un plasma en expansion rapide et contenant une quantité égale de l'une et de l'autre. S'il n'existe plus d'antimatière primordiale (venant de l'origine de l'univers) dans l'univers, il faut comprendre comment l'antimatière a pu disparaître. Inversement, si l'univers est symétrique - c'est à dire si il contient autant de matière que d'antimatière - il faut comprendre pourquoi localement dans notre galaxie et dans celles qui nous entourent il n'y a que de la matière. En effet, les expériences faites jusqu'à présent excluent la présence d'antimatière dans l'amas de galaxies dont nous faisons partie. L'observation des étoiles lointaines avec des télescopes puissants ne permet pas d'apporter de réponse, car nous voyons alors seulement la lumière émise par l'étoile qui ne porte aucune indication sur le fait que l'étoile est composée de matière ou d'antimatière. La détection d'un seul noyau d'antimatière dans l'espace, un antihélium ou un anticarbone par exemple, apporterait la preuve qu'il existe quelque part dans l'univers, hors de notre amas de galaxies, des creusets où ces noyaux sont synthétisés: des étoiles d'antimatière dont le combustible élémentaire serait l'antimatière (des antiprotons) de l'univers primordial. AMS a été conçue pour détecter ces anti-noyaux avec une sensibilité cent à mille fois supérieure à celle des expériences existantes.

La matière noire:

L'observation du mouvement des galaxies par des grands télescopes, et en particulier celle de la vitesse de rotation des bras des galaxies spirales, a provoqué une grande surprise : pour expliquer ces mouvements, il faudrait que ces galaxies aient une masse dix fois plus élevée que ce que nos grands télescopes observent, en particulier dans le halo de ces galaxies. En fait, ce serait 90% de la masse totale de l'univers qui n'est pas vue par les instruments actuels. La nature de cette matière mystérieuse appelée "matière noire" car elle ne rayonne pas (et n'est donc pas vue par nos télescopes) n'est pas connue. On a pu démontrer qu'il ne s'agissait pas de soleils trop légers pour allumer leur feu nucléaire, ni de planètes qui n'émettent pas de lumière. Cette matière ne peut pas être de la matière ordinaire. Ce phénomène pourrait être dû à un nouveau type de particules massives, les WIMPs, ce qui veut dire en anglais Particule Massive Interagissant Faiblement. Dans le modèle théorique de physique des particules appelé modèle supersymétrique (MSS), le candidat pour le WIMP est une particule neutre appelée Neutralino, qui est en plus sa propre antiparticule. Si ces Neutralinos qui sont activement recherchés sont bien à l'origine de la matière noire, alors on doit pouvoir détecter leur annihilation lorsqu'ils entrent en collision entre eux dans le halo des galaxies. Ces annihilations se feraient en particulier en produisant des rayons gamma et des positons qui se rajouteraient en excès au flux de particules cosmiques, excès qu'AMS pourrait détecter grâce à sa très grande sensibilité.

Le rayonnement cosmique:

L'expérience AMS permettra d'observer et de mesurer les rayons cosmiques gamma de haute énergie, dans la gamme de 1 a 300 GeV, couvrant un domaine d'énergie dont une bonne partie est inaccessible aux expériences actuels. Il s'agit pourtant d'un sujet fondamental, car on a observé des éruptions brusques de rayons gammas pour une durée de quelques secondes issus de galaxies très lointaines : on appelle cela les Sursauts Gamma. Ces éruptions dissipent des énergies supérieures à la masse de notre soleil. Plusieurs modèles théoriques ont été imaginé pour reproduire les comportements observés dans le domaine d'énergie accessible jusqu'à présent et tenter d'expliquer ce phénomène qui pourrait être dû à des trous noirs géants au centre de galaxies. Les mesures qui seront faites grâce au nouveau domaine d'énergie qui va être ouvert par AMS sont donc essentielles pour dévoiler le mystère. Il y a beaucoup d'autres objets cosmiques dont l'activité observée change brusquement ou périodiquement. On leur donne des noms comme pulsars, blazars, noyaux actifs de galaxies, etc. Notre univers chaotique est ainsi parsemé d'objets soumis à des phénomènes très violents, mais qui en leur sein recèlent des trésors d'information sur la formation et la structure de l'univers. AMS en faisant des observations dans un domaine d'énergie inexploré peut nous donner bien des surprises.

 

La collaboration AMS:

Liste des institutions