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La physique de l’infiniment grand l’infiniment petit

HARPO

Équipe

Responsable : Denis Bernard +33 1 69 33 55 34 Tous les contacts de l’équipe HARPO

14 décembre 2015

Le projet HARPO (Hermetic ARgon POlarimeter) (ref), collaboration d’un groupe du LLR et d’un groupe de l’Irfu, étudie un concept de détecteur “fin” permettant l’astronomie gamma du MeV au GeV avec une résolution angulaire meilleure d’un ordre de grandeur par rapport à Fermi et EGRET, une surface effective par unité de masse augmentée, comblant le fossé de sensibilité entre Compton et paires.


[日本語], [中文], [English]. D’autre part cette approche permet pour la première fois la mesure de la polarisation du rayonnement. Le projet a bénéficié de financements de l’IN2P3, du LabEx et l’ANR. Du domaine des ondes radio jusqu’aux rayons X, l’analyse du degré et de la direction de la polarisation linéaire de la lumière émise par les sources cosmiques est un diagnostic puissant de la compréhension de la physique de ces sources. En gamma, aucune mesure significative de polarisation n’est disponible à ce jour. Une polarimétrie au dessus du MeV permettrait par exemple de discriminer les modèles hadronique et leptonique de l’émission gamma des blazars (ref). D’autre part, entre la plage en énergie des rayons X durs/gamma de faible énergie où les télescopes Compton sont particulièrement sensibles, et la plage en énergie des rayons de haute énergie (de 1 à 300 GeV) où les télescopes sur satellite comprenant un tracker de paires e+e− à convertisseur en tungstène sont très efficaces, un fossé en sensibilité handicape la compréhension des spectres (ref). Enfin, la forte dégradation de la résolution angulaire des télescopes à création de paire à basse énergie empêche l’identification des sources dans les zones très peuplées du ciel gamma, telles que le plan galactique (ref.) Nous avons construit et validé un générateur d’évènements complet (5D, conversion nucléaire ou triplet), exact (tous les graphes) jusqu’au seuil et polarisé et nous l’avons validé (ref). Nous avons caractérisé les propriétés d’un télescope basé sur un tel détecteur "fin", à la condition d’un tracking "optimal" en présence de la diffusion multiple, et nous avons établi les lois de puissance décrivant les contributions dominantes à la résolution angulaire et à la sensibilité différentielle (ref). Nous avons caractérisé les propriétés d’un polarimètre basé sur un tel détecteur "fin", et tout particulièrement la dilution de l’asymétrie de polarisation effective due à la diffusion multiple sous la même condition de tracking optimal (ref). Nous avons conçu et réalisé un démonstrateur basé sur une chambre à projection temporelle (TPC) à haute pression et une amplification de type Micromegas, et nous avons validé ses propriétés de trajectographe au laboratoire en rayons cosmiques (ref). Le gain mesuré lors de ces tests étant à la limite d’un fonctionnement routinier en sécurité, nous avons complémenté le micromegas par des GEM ; nous avons caractérisé les propriétés de cet assemblage micromegas-GEM (Pdf), et nous avons procédé à l’intégration finale dans la TPC. La qualification du détecteur avant la campagne de prise de tests en faisceau est décrite à (ref). Schéma du prototype que nous avons caractérisé en faisceau. Les 2 "cartes" donnant l’amplitude du signal digitisé sur les séries de strip orthogonales x et y en fonction de la durée de la dérive des électrons issus de l’ionisation. Il s’agit de la conversion dans le gaz de la TPC HARPO (Argon:Isobutane 2.1 bar) d’un photon de 4.7 MeV obtenu par la diffusion Compton inverse d’un faisceau laser Erbium sur un faisceau d’électrons d’une énergie de 0.6 GeV. Campagne de tests en faisceau de photons polarisés Nous avons exposé le démonstrateur à un faisceau presque entièrement polarisé (linéairement) pseudo-monochromatique de photons gamma produits fournis par la ligne BL01 de l’anneau de stockage d’électrons [NewSUBARU->http://www.lasti.u-hyogo.ac.jp/NS-en/index.php], installation du Laboratory of Advanced Science and Technology for Industry [(LASTI)->http://www.lasti.u-hyogo.ac.jp/english/] de l’université de la province de Hyôgo (Japon), avec la collaboration de (SPring8). Les gamma sont produits par diffusion Compton inverse d’un faisceau laser pulsé sur le faisceau d’électrons de l’accélérateur. L’énergie des gamma est maximale lorsque la diffusion a lieu vers l’avant, et donc nous en sélectionnons une bande étroite en appliquant une collimation sur l’axe. La polarisation du laser est alors presque entièrement transmise au faisceau de gamma. En utilisant plusieurs lasers de longueur d’onde différentes, (Nd:YVO4 1ω et 2ω, Erbium, CO2), et en faisant varier l’énergie du faisceau d’électrons entre 0,6 et 1,5 GeV, nous avons pu tester notre détecteur avec un faisceau de gamma dont l’énergie a pu être ajustée entre 1,7 et 74 MeV. Une petite fraction de ces données a été collectée avec un faisceau dépolarisé, de façon à étudier les biais systématiques éventuels dus au détecteur. Le démonstrateur s’est fort bien comporté en flux intense au cours de cette campagne de prise de données de 3 semaines, qui est décrite à (ref). L’analyse de ces données est en cours.

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Schéma d’un module de vol
Module de 12 m³ formé de 6 TPC tête-bêche 2 à 2, chacune segmentée en blocs de 33 cm de côté.
Conversion d’un photon de 100 MeV (à gauche) et de 10 MeV (à droite).
Référence

Autres projets/manips du groupe astro-gamma du LLR : [CTA->http://llr.in2p3.fr/-cta-]. FERMI. HESS.