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Année 2023

  • Nov.: La revue d'AugerPrime a eu lieu en novembre. Les recommendations du comité sont de continuer l'exploitation de l'Observatoire Pierre Auger pour au moins dix ans
  • Fin octobre 2020: fin du contrat de Carla Bleve. L'effectif de l'équipe est drastiquement réduit.
  • Oct.: Zoé Torrès, doctorante dans l'équipe depuis l'automne 2020, a soutenue sa thèse le 27 octobre 2023 : Identification of UHE Photons for Multi-Messengers Astronomy with Universality at the Pierre Auger Observatory.
  • Publication de l'article "Search for photons above 10^19 eV with the surface detector of the Pierre Auger Observatory"

Année 2022

  • septembre : FD shifts en remote
  • papier Auger sur la recherche de photons UHE soumis, Carla Bleve corresponding author.
  • Conférence UHECR2022 du 3 - 7/10: contributions de Zoé Torrès et de Corinne Bérat
  • Avril 2022, publication d'une étude en collaboration avec des collègues de l'IJCLab: Diffuse flux of ultra-high energy photons from cosmic-ray interactions in the disk of the Galaxy and implications for the search for decaying super-heavy dark matter Corinne Bérat, Carla Bleve, Olivier Deligny, François Montanet, Pierpaolo Savina, and Zoé Torres ApJ 929 (2022) 55 

Année 2021

  • réunion de collaboration en novembre encore en visio-conférence
  • FD shifts en remote du 25/11 au 9/12.
  • poursuite des analyses sur la recherche sur photons d'Ultra Haute Energie
  • ANR MICRO : réunion de lancement le 1/04/2021
  • Début 2021: Installation de la nouvelle électronique d’acquisition sur une trentaine de détecteurs, 1200 SSD installés sur site

Fin 2020

  • Soutenance de thèse de Julien Souchard le 28 octobre 2020, en présentiel, la veille d'un nouveau confinement...

 

 

Eté 2020

C'est avec une grande tristesse que nous avons appris la disparition de notre ex-collègue Didier Lebrun, décédé dans la nuit du 28 au 29 juillet. Il était membre du groupe Auger avant de prendre sa retraite fin 2014.

Didier Lebrun a débuté sa carrière dans les années 70 en étudiant les résonances nucléaires géantes au sein du groupe de M. Buénerd, et a obtenu sa thèse d'état en 1981 ; les expériences se déroulaient au cyclotron de l'ISN. Il a ensuite fait un séjour d'un an au Laboratoire National de Los Alamos. A partir de 1980, Didier Lebrun a participé à plusieurs expériences au CERN, utilisant soit des faisceaux d'ions lourds, soit d'antiprotons (au LEAR) pour étudier la production de pions, et également à l'ISN sur des expériences de diffusion élastique d'ions lourds 12C+12C, avec en particulier l'élaboration d'un modèle simplifié de ces collisions, correspondant à la limite optique de la théorie de Glauber. Puis, il a été porteur du projet de l'expérience SPIC, conçue pour étudier la production de pions sous le seuil dans les collisions nucleon-nucleon. Après des débuts difficiles à SARA, l'expérience a bien fonctionné au GANIL (1987). Ce programme expérimental a conclu ses activités de recherche en physique nucléaire, puisqu'il a ensuite rejoint, au milieu des années 90, l'équipe travaillant sur les neutrinos, s'intéressant alors au problème du déficit des neutrinos solaires. Dans l'expérience MUNU installée près du réacteur de la centrale du Bugey, il a contribué aux études des matériaux de faibles activités et au fonctionnement d'une TPC au CF4. Le résultat a permis de rejeter l'hypothèse d'un effet dû au moment magnétique du neutrino.

Après l'étude des neutrinos, Didier Lebrun s'est engagé à partir des années 2000, avec une partie de l'équipe neutrinos, dans la recherche des rayons cosmiques, les plus énergétiques d'entre eux. Ce fut d'abord dans le projet EUSO, un télescope qui devait être installé sur l'ISS, avec le soutien de l'ESA. Dans ce cadre, il a contribué entre autre à des études de faisabilité de détection dans des campagnes de mesures réalisées à proximité du Mont Cenis. Puis avec l'arrêt du projet EUSO, Didier s'est consacré à la détection radio des gerbes atmosphériques, avec l'expérience CODALEMA à Nançay, puis au sein de l'expérience Auger, en particulier dans les projets EASIER et GIGAS. Il a étudié la détection des ondes radio émis par les grandes gerbes atmosphériques engendrées par les rayons cosmiques les plus énergétiques aussi bien en MHz que dans la gamme du GHz.

Enfin, il a été un des instigateurs du projet R&D NOY, visant à détecter des neutrinos cosmiques, après leur interaction dans des montagnes. Les neutrinos taus produisent des leptons taus donnant naissance à des gerbes atmosphériques horizontales en émergeant de la roche. Les détecteurs étaient installés sur les flancs de la Chartreuse face à Belledonne, la configuration de la vallée du Grésivaudan s'avérant propice à ce genre de détection. Le prototype construit lors de cette opération est désormais utilisé à des fins didactiques pour l'école internationale ESIPAP à Archamps.

Son parcours de chercheur lui a ainsi permis de contribuer à plusieurs domaines de la physique aussi bien en nucléaire, en physique des neutrinos et en astroparticules, et montre comment il a accompagné l'évolution du laboratoire. Il préférait, aux grands projet de la physique des particules, les aventures un peu plus risquées qu'il trouvait plus attrayantes, et appréciait ainsi de s'engager dans des projets de R&D. Sa culture était très étendue dans de nombreux domaines.

 

 

Automne 2019

20e anniversaire de l'Observatoire Pierre Auger

Les scientifiques de l’Observatoire Pierre Auger, le plus grand détecteur de rayons cosmiques au monde, ont célébré les vingt ans de l’Observatoire à Malargüe, province de Mendoza, en Argentine, du 14 au 16 novembre 2019. Les célébrations ont débuté par un symposium comprenant  des présentations sur les origines du projet, dont le CNRS est l'un des fondateurs, et sur l'état de l’art dans les domaines de recherche couverts par l’Observatoire. Le 16 novembre a eu lieu une cérémonie mettant en valeur le rôle de l'Observatoire Pierre Auger et réunissant des personnalités nationales et internationales, ayant soutenu le projet.

 

Plus d'infos

Articles institutionels:

 

Eté 2019

Les récents résultats obtenus par la collaboration Pierre Auger

 

Lors de l'ICRC 2019, la collaboration Pierre Auger a présenté ses derniers résultats sur la physique des rayons cosmiques (RC) d'ultra haute énergie. Après une quinzaine d'année de fonctionnement de l'Observatoire Pierre Auger, les analyses bénéficient d'une statistique importante, d'une exposition élevée, et d'une compréhension de plus en plus précise des sources d'incertitude systématique.

Certains résultats  parmi les plus marquants sont résumés ci-dessous.

Anisotropies des directions d'arrivée

La modulation dipolaire à grande échelle angulaire au-dessus de 8 EeV est confirmée et son amplitude croit avec l'énergie. Amplitude et phase de la modulation sont mesurées sur plus de trois décades en énergie, et les résultats confirment une origine galactique des RC en dessous de 1 EeV, tandis que la direction du dipole observé va dans le sens d'une origine extragalactique des RC de quelques EeV.

Carte du ciel du flux de rayons cosmiques au dessus de 8 EeV (ICRC 2019)

Les recherches à plus petites échelles angulaires ont confirmé l’existence d’un excès en direction de Centaurus A. Pour les RC d'énergie supérieures à 38 EeV, la correlation entre leur direction d'arrivée et la position des galaxies à flambée d'étoiles répertoriées dans un catalogue incluant des objets extragalactiques tels que NGC4945 et M83 dans la région de  CenA, mais aussi NGC253 près du pole sud galactique. Des études incluant les effets des champs magnétiques et prenant en compte des catalogues plus complets sont nécessaires pour confirmer ces résultats.

Spectre en énergie et composition du flux de RC

La mesure du spectre en énergie des rayons cosmiques réalisée par l'Observatoire Pierre Auger couvre une grande gamme en énergie, allant de 0,03 à plus de 100 EeV. Cette mesure est entièrement indépendante des modèles et d'hypothèses sur la composition. Deux points d'inflexion sont clairement visibles correspondant au deuxième genou et à la cheville; un nouveau changement de pente est à présent observé autour de 10 EeV.

Spectre des rayons cosmiques mesuré par l'Observatoire Pierre Auger (ICRC2019)

 

Le flux de RC dans la gamme d'énergie autour de la cheville semble être dominé par une composition mixte (i.e. mélange de noyaux de différente nature), les noyaux légers étant plutôt exclus. Des analyses indépendantes concluent à l'alourdissement de la composition au-dessus de 2 EeV. Ces résultats permettraient d'attribuer l'origine de la suppression du flux au dessus de 50 EeV comme étant davantage lié aux limites du pouvoir d'accélération des sources plutôt que dû à des effets de propagation. Cependant, les informations sur la composition en masse du flux de RC au delà de 50 EeV manquent toujours.

Interactions hadroniques à ultra haute énergie

De nouveaux résultats sur les modèles d'interaction hadronique à ultra haute énergie ont été obtenus grâce à  l'étude de la composante muonique dans les grandes gerbes atmosphériques. Le déficit du nombre total de muons attendus d'après les modèles d'interaction hadroniques utilisés dans les simulations de gerbes  est  confirmé, même à des énergies inférieures à 0,3 EeV grâce aux mesures effectuées avec des détecteurs de muons enterrés.

 

 

Début d'été 2019

Fin de la construction des 90 détecteurs.

L'assemblage des 90 scintillateurs (voir ci-dessous) est terminé. Les tests également, et leurs résultats sont en cours de finalisation. L'équipe Auger a quitté le Hall Ariane, et prépare l'envoi du deuxième lot de SSD en Argentine.

 

Janvier 2019

Des détecteurs en route pour l’Observatoire Pierre Auger, en Argentine.


Le projet AugerPrime est destiné à améliorer les performances de l'observatoire de rayons cosmiques Pierre Auger, une Infrastructure de Recherche internationale qui déploie son réseau de 1660 détecteurs autonomes sur 3000 km2 dans la pampa argentine.  La collaboration internationale qui a conçu, construit et exploite l'Observatoire prévoit le déploiement de plusieurs centaines de détecteurs à scintillations dont la réalisation est répartie entre 6 laboratoires européens.  Le LPSC a la charge de l’assemblage et du test de 90 de ces détecteurs.  L'assemblage et les tests se font au Hall Ariane, grâce à la participation de plusieurs IT du service Détecteurs et Instrumentation et du service Electronique.

Vue panoramique des zones de montage (cadre bleu) et de tests (cadre rouge) dans le hall Ariane

Chaque détecteur à scintillation est constitué de deux modules de scintillateur comprenant chacun 24 barres de plastique extrudé de 1,60 m de long et de 5 cm x 1 cm de section. La lecture se fait par fibres optiques à décalage de longueur d'onde. Chaque barre est percée dans sa longueur de 2 trous dans lesquels doivent être insérées les fibres. Les fibres sont positionnées par des rainures guides faites dans des éléments en polystyrène disposés à chaque extrémité. Les extrémités de l’ensemble des fibres doivent être couplées optiquement à un unique photomultiplicateur (PM).

Assemblage 2 PartieCentrale

L'ensemble est assemblé puis enfermé dans une boite en aluminium (1,3m x 3,8 m). Après l'assemblage, les tests ont pour but de vérifier  l'étanchéité à la lumière visible du détecteur, et l'efficacité de la collection de lumière par les fibres optiques en utilisant le stimulus produit par le rayonnement cosmique sur les barres de scintillateurs en mesurant le niveau du taux de comptage.

 

Stockage exterieurIMG 1019

 

Les 45 premiers réalisés et validés en 2018 s'apprêtent à être expédiés en Argentine. Ils sont chargés dans un container pour être acheminés par voies maritimes et routières jusqu’à Malargüe, ville voisine de l'Observatoire et hôte du laboratoire local. Le prochaine expédition aura lieu à la rentrée 2019.  Chaque scintillateur sera installé sur un détecteur Cherenkov à eau qui constitue le réseau de détection au sol, complétant ainsi la caractérisation  des grandes gerbes atmosphériques produites par les rayons cosmiques d'ultra haute énergie.

 

Rapport d'activité 2016-2018

1. Introduction

L’équipe de recherche Auger du LPSC fait partie de la collaboration internationale Pierre Auger qui a conçu, construit et exploite l'Observatoire éponyme, ensemble instrumental performant déployé sur 3000 km2 dans la pampa argentine, détectant les rayons cosmiques sur plus de trois décades en énergie. Plus de 400 scientifiques de 16 pays différents collaborent pour déterminer l’origine et la nature de ces particules les plus énergétiques de l’Univers et comprendre comment elles atteignent des énergies aussi extrêmes, un million de fois supérieure à celle des protons accélérés au LHC. Quand ces rayons cosmiques entrent en collision avec les molécules de la haute atmosphère, ils créent une cascade de plus de 10 milliards de particules secondaires, appelée gerbe atmosphérique, qui peut s'étendre sur plus de 40 kilomètres carrés quand elle arrive au sol. C’est en observant ce phénomène au sol et lors de son développement dans l’atmosphère qu’on parvient à étudier la nature et l’origine de ces rayons cosmiques. Mais leur flux est de l’ordre de 1 par kilomètre carré et par an et cette extrême rareté impose à l’Observatoire son immense surface de détection.

L’Observatoire utilise conjointement les deux techniques de détection des gerbes atmosphériques qui ont déjà fait leurs preuves, alliant un détecteur de surface (SD) constitué de 1660 cuves à effet Cherenkov (WCD) échantillonnant les particules des gerbes arrivant au sol, et d’un détecteur de fluorescence (FD) comprenant 27 télescopes mesurant le développement longitudinal des gerbes. La vaste surface de collection et la stratégie de détection hybride de l'Observatoire ont permis des avancées considérables de nos connaissances des rayons cosmiques d’ultra haute énergie (RCUHE). Citons parmi les résultats les plus récents la preuve que les plus énergétiques viennent d’au-delà de notre galaxie, et l’indication d’anisotropies dans leurs directions d’arrivée. Pour améliorer les performances de l’Observatoire, la collaboration travaille sur le projet AugerPrime, dont un des volets les plus importants est la mise en œuvre de nouveaux détecteurs à scintillation.
Pendant les 3 dernières années, l’équipe a essentiellement poursuivi ses activités sur le contrôle en ligne du SD et a achevé l’activité de R&D sur la radio détection des gerbes dans les longueurs d’onde centimétriques ; elle s’est engagée dans la recherche de photons d’ultra haute énergie, et s’est investie davantage dans AugerPrime, puisqu’en complément des développements concernant la nouvelle électronique embarquée, dans laquelle elle a joué un rôle essentiel, l’équipe a pris en charge l’intégration de détecteurs à scintillation. Il est à noter aussi que chaque membre de l’équipe s’implique dans plusieurs activités de communication auprès des collégiens et lycéens, autour de la thématique du rayonnement cosmique et de l’Observatoire Pierre Auger.

 

2. Fonctionnement de l'Observatoire Pierre Auger

Contrôle du réseau

L’équipe Auger a pris part, quasiment dès son entrée dans la collaboration Auger, au contrôle en ligne du SD. Le fonctionnement du réseau de détection peut être suivi via une interface web, permettant d’afficher les principaux paramètres des WCD (état du système d’alimentation solaire, paramètres des photomultiplicateurs, taux de déclenchement). Cette activité se poursuit, avec d’une part le suivi du fonctionnement du réseau et d’autre part le développement de nouvelles fonctionnalités. Les plus récents développements concernent plus directement la qualité des données acquises, le suivi des performances sur le long terme, et des contributions essentielles à la mise en place de périodes de « shifts » pour une surveillance partagée et permanente du SD.

Salle de contrôle à distance

Le fonctionnement des télescopes de fluorescence opérant les nuits sans lune et claires, doit être surveillé constamment, et nécessite donc la présence de « shifteurs » à l’Observatoire, chaque mois, pendant environ une vingtaine de nuits d’affilée. Depuis 2014, un système de remote shifts s’est mis en place dans la collaboration : 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. L’avantage majeur de la mise en œuvre de « shifts » à distance est de supprimer les coûts liés aux missions. De plus, le décalage horaire permet de limiter la part de travail nocturne des « shifteurs » sur le site de l’Observatoire. Le groupe Auger a installé au LPSC une telle salle qui est opérationnelle depuis le printemps 2017. L’équipe prend en charge chaque année des shifts à distance.

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Contrôle commande à distance

AERA est un instrument dédié à l’étude de l’émission des ondes radio, dans la gamme des 30-80 MHz, par les gerbes atmosphériques induites par les rayons cosmiques. Le réseau constitué de 152 antennes occupe une surface de 17 km². Au LPSC nous avions développé une interface graphique de contrôle commande accessible depuis une interface Web. Cette interface a nécessité quelques actions de mise à jour et de maintenance, menées par un informaticien du LPSC.

 

3. Analyse de données

Détection radio des gerbes atmosphériques

L'équipe a poursuivi ses travaux de R&D de détection radio des gerbes atmosphériques à des fréquences de quelques GHz, dans le cadre du projet GIGAS financé par l’ANR. L’objectif était d’utiliser l’émission induite par le bremsstrahlung moléculaire (MBR) lors du passage de la gerbe dans l’atmosphère comme nouvelle observable pour une meilleure identification de la composante électromagnétique de la gerbe. Les détecteurs GIGAS étaient intégrés dans un sous-réseau du SD. Trois réseaux de capteurs ont été développés et installés, GIGAS-61 (~90 km2) utilisant comme capteurs des antennes cornet commerciales, puis GIGADuck-L (~7 km2) et GIGADuck-C (~7 km2) chacun avec 7 capteurs constitués d’antennes plus sensibles et d’une électronique à plus bas bruit. Nous avons démontré le bon fonctionnement des détecteurs installés par un étalonnage soigneux des paramètres utiles pour décrire leurs sensibilités, à savoir la surface effective, la température du système et la bande passante. La performance de ces détecteurs a été examinée en fonction de la simulation réaliste du processus MBR développée dans le cadre du projet. L'association avec la simulation complète du détecteur nous a permis de vérifier l'augmentation de la sensibilité obtenue avec les détecteurs GIGADuck. Une description complète du dispositif expérimental, de sa calibration, des modélisations informatiques associées et de nos méthodes d’analyse a été publiée. Le rayonnement MBR des grandes gerbes atmosphériques s’avère bien plus faible que ce que les publications faites avant 2012 avançaient. Malgré la grande sensibilité de nos capteurs aucun signal n’a pu être attribué de manière non ambiguë à ce mécanisme.

Recherche des photons d'ultra haute énergie

Les modèles astrophysiques de production des RCUHE prévoient des flux de neutrinos et de photons associés aux interactions des particules primaires dans les sources elles-mêmes ou lors de leur propagation. Si une composante, possiblement minoritaire, de protons existe au-delà de 50 EeV et qu’ils interagissent avec les photons du CMB ou de l’EBL, des pions chargés ou neutres sont produits : p + γbg→ p + 0, n + +. La désintégration des pions chargés produit des neutrinos et celle des neutres des photons d’énergie autour de quelques EeV. Les neutrinos et les photons produits ainsi sont dits « cosmogéniques ». Leur flux dépend alors de la masse des RCUHE, car fortement supprimé dans le cas de noyaux lourds. La recherche de photons cosmogéniques dans le flux des RCUHE est utile pour mieux comprendre l’origine de la coupure spectrale à haute énergie. La preuve de la présence de tels photons signerait d’une part la présence de protons dans le flux aux énergies extrêmes et d’autre part l’effet GZK, apportant ainsi des informations cruciales pour interpréter les observations. Cela ouvrirait également la porte à une astronomie avec les photons UHE, car n’étant pas déviés par les champs magnétiques galactiques et extragalactiques il serait possible de pointer vers leurs sources.   
Depuis 2016 nous avons débuté une activité d’analyse pour identifier des photons UHE. Les gerbes qu’ils produisent ont une composante muonique faible, et un développement plus tardif dans l’atmosphère comparé à celui de gerbes hadroniques de même énergie. La position du maximum de développement, mesuré par le FD, est donc une variable discriminante, utilisé dans l’analyse des événements hybrides mais elle est limitée par le relativement faible cycle utile du FD. Si on veut bénéficier de l’ensemble des données enregistrées par le SD, il faut sélectionner les observables permettant de distinguer les gerbes de photons de celles de hadrons. Après un travail concernant l’évaluation du bruit de fond irréductible dû aux gerbes hadroniques avec un 0 dominant l’énergie de la 1ère interaction, une analyse basée sur une observable discriminante élaborée à partir de la forme des signaux enregistrés par les WCD a été développée dans le cadre d’un travail postdoctoral.

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Distribution des évènements protons (rouge) et photons (bleu) simulés, dans l'espace des observables

 

Le cœur de la méthode est de modéliser les formes des signaux produits dans les cuves par des gerbes, cette modélisation devant conduire à des résultats distinctifs entre les gerbes de photons et les gerbes de hadrons. L’objectif est d’appliquer le modèle élaboré aux signaux réels, et d’évaluer si le résultat est similaire au modèle attendu pour les photons. Testée sur les simulations Monte-Carlo, la méthode permet une réjection du fond hadronique de 97% avec une efficacité d’identification des photons de 50%. Une autre approche pour identifier les gerbes de photons qui est développée consiste à combiner des observables discriminantes dans une analyse multivariée. Ces observables sont construites en estimant la part de signal liée au passage de muons, et celle venant de la composante électromagnétique. Chaque observable présente des performances différentes et complémentaires dans l’espace des paramètres de la gerbe considérée. Ces variables sont ensuite utilisées dans une analyse multivariée conçue pour être évolutive. Cette étude constitue le cœur d’un travail de thèse actuellement menée au sein de l’équipe.

 

4. Le projet AugerPrime

Le projet AugerPrime est destiné à améliorer les performances de l'Observatoire Pierre Auger. Son principal objectif est d’obtenir une meilleure identification de la nature des rayons cosmiques primaires, afin de progresser dans l'interprétation des résultats et de répondre aux questions encore ouvertes sur l'origine et la composition des rayons cosmiques aux plus hautes énergies. L’élément clé est une caractérisation de la composition de la gerbe atmosphérique, qui sera sensiblement améliorée par l’ajout de scintillateurs (SSD) sur chaque WCD. En effet, ces détecteurs ont une réponse aux muons et aux électrons/positrons/photons différentes de celles des détecteurs Cherenkov. Pour traiter à la fois les signaux des WCD et ceux des SSD, une nouvelle électronique d'acquisition et de contrôle aux performances accrues est développée.
Grâce à la forte implication des services Électronique et Détecteurs et Instrumentation, l’équipe Auger du LPSC contribue de façon essentielle depuis plusieurs années au projet d’amélioration et de rénovation de l’électronique du SD, et s’implique également dans l’organisation et la mise en œuvre d’AugerPrime. La carte électronique unique du système a été conçue et intégrée au LPSC. Après les tests du premier prototype, deux nouvelles versions ont pu être produites et testées, pour satisfaire les spécifications en termes de bruit et de consommation. La collaboration prévoit le déploiement d'environ 1400 SSD, ceux-ci étant assemblés dans 6 instituts européens. Le LPSC est l'un d'entre eux, et a pris en charge l’assemblage et les tests de 90 SSD.

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SSD : mise en place des fibres

Chaque détecteur à scintillation est constitué de deux modules de scintillateur comprenant chacun 24 barres de plastique extrudé de 1,60 m de long et de 5 cm x 1 cm de section. La collection de lumière se fait par fibres optiques à décalage de longueur d'onde. Chaque barre est percée dans sa longueur de 2 trous dans lesquels doivent être insérées les fibres. Les extrémités de l’ensemble des fibres sont couplées optiquement à un unique photo-multiplicateur. L'ensemble est assemblé dans une boite en aluminium (1,3m x 3,8 m). Après l'assemblage, les tests ont pour but de vérifier l'étanchéité à la lumière visible du détecteur et l'efficacité de collection de lumière en utilisant des muons du rayonnement cosmique. Après une phase d’approvisionnement et de stockage du matériel, nous avons mis en place les procédures d’assemblage et de tests début 2018, et assemblé 45 modules entre juin et décembre 2018. Les 45 modules suivants seront assemblés au 1er semestre 2019. Les résultats des tests des modules déjà assemblés sont satisfaisants et démontrent que la procédure d'assemblage est maîtrisée.

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SSD : résultats des tests