Le r´eseau de d´etecteurs

Il est constitu´e de stations locales (SL) autonomes, aliment´ees par des panneaux solaires, communiquant par ondes radio et recevant des signaux de synchronisation de satellites GPS.

Choix des param`etres

L’objectif des observatoires Pierre Auger est l’exploration du spectre des rayons cosmiques `a partir de 10 EeV. Demander une efficacit´e proche de 100 %, au niveau du trigger, `a cette ´energie impose un maillage du r´eseau d’au plus 1.5 km. Comme pour une surface donn´ee, le prix est d’autant plus ´elev´e que le maillage est serr´e, cette valeur a ´et´e retenue. La forme du maillage a ´et´e choisie triangulaire (appel´ee ´egalement hexagonale), par opposition `a orthogonale (' 5.4.2).

Cette distance r´ep´et´ee plusieurs milliers de fois impose une autonomie de tous les d´etecteurs. Cette autonomie se traduit par l’utilisation de cellules solaires, de liaisons radio, et d’une syn-chronisation temporelle ind´ependante.

La demi-ouverture angulaire est d´efinie par la g´eom´etrie des cuves et vaut 60 (on esp`ere aller plus loin, toutefois), soit une acceptance de 14000 km

.sr. La solution ˇCerenkov `a eau pr´esente deux avantages, un prix peu ´elev´e et l’assurance d’une couverture plus uniforme du ciel qu’avec des scintillateurs [158], due `a une d´ependance moindre en angle z´enithal.

Triggers

Les d´etecteurs de surface sont soumis au bruit de fond constitu´e du flux secondaire de muons, de photons et d’´electrons. La composante muonique est la mieux connue, son taux vaut 



 

1 1 et a une ´energie moyenne de 1 GeV.

Les triggers du d´etecteur de surface sont r´epartis en 3 ´etapes (not´ees ult´erieurement T1, T2, T3) :



le T1, divis´e en plusieurs composantes (voir' 3.4.5), a une fr´equence moyenne de 100 s

par SL ;



le T2, destin´e `a affiner la s´election r´ealis´ee grossi`erement par le T1, est fix´e `a 20 s

par SL ;



le T3, enfin, est d´ecid´e par la station centrale (SC) sur des crit`eres de proximit´e spatio-temporels des T2 des SL, et est estim´e `a moins de 1 s

sur le r´eseau entier.

Le fonctionnement du r´eseau est alors le suivant. L’acquisition des signaux s’effectue sur requˆete du T1. Un algorithme regarde plus pr´ecis´ement ces signaux et d´ecide alors d’un T2 ou non. Tout ceci est calcul´e au sein de chaque SL. Les T2 accept´es sont ensuite signal´es `a la SC, qui collecte alors, si elle a d´ecid´e d’un T3, les signaux des SL concern´ees ainsi que ceux de leurs voisines. Le T1 ´etant d´efini de sorte `a compter le nombre de muons, une SL n’ayant pas d´elivr´e de T2 pourra en effet ˆetre consult´ee sur les muons qu’elle aura enregistr´e `a des temps voisins de celui du T2 d´elivr´e par d’autres.

Les chiffres des niveaux de trigger s’expliquent ainsi. La fr´equence de T1 est issue des donn´ees exp´erimentales mesur´ees par les pr´ec´edents d´etecteurs. La fr´equence de T2 est dict´ee par deux choses. D’une part, ´etant donn´ee la raret´e des ´ev´enements que l’on recherche, il est inutile de conserver tout le bruit de fond donn´e par le T1. D’autre part, la bande passante entre les SL et la SC est limit´ee et ne peut accepter une valeur sup´erieure. Enfin, la valeur donn´ee

3.3. Le r´eseau de d´etecteurs 79

pour le T3 vient du calcul de co¨ıncidences fortuites. Elle ne repr´esente pas une contrainte pour l’acquisition, mais pour le volume de stockage `a envisager.

T´el´ecommunications

N´ecessaires au fonctionnement d’un r´eseau de cette taille, elles relient d’une part les SL `a des stations relais appel´ees stations de base (SB), d’autre part ces SB `a la SC (Fig. 3.5). Les SB sont constitu´es d’antennes d’environ 50 m de haut situ´ees `a proximit´e des yeux des d´etecteurs de fluorescence. Elles communiquent entre elles par faisceaux micro-ondes de d´ebit 34 Mb/s.

SB 1

SB 2 + SC

SB 3

Fig. 3.5: (T´el´e)communications. Les stations locales communiquent avec la station centrale (SC) et l’ext´erieur par l’interm´ediaire de stations de base (SB).

Entre les SL et la SC, le temps de transfert doit ˆetre inf´erieur `a 5 s dans chaque direction. Les t´el´ecommunications se font dans la bande ISM (2.4 GHz) et autorisent l’envoi d’environ 130 o/s utiles de chaque SL `a la SC. Ce chiffre impose la limite sup´erieure de 20 s

au trigger de niveau 2 (il occupe en moyenne la moiti´e de la bande passante) d´ecrit ci-dessus. Les ´ev´enements T3 (de taille 4 ko environ) sont transf´er´es par morceaux `a la station locale pour ne pas bloquer les notifications de T2, et chacun peut mettre ainsi quelques minutes. Leur faible taux d’occurence ne provoque heureusement aucun probl`eme de saturation.

Le flux est tr`es dissym´etrique, car la SC envoie peu de donn´ees aux SL, hormis lors du chargement des programmes.

Datation

La reconstruction de la direction de l’axe des gerbes s’effectue en enregistrant le temps d’arriv´ee de leur front sur chaque d´etecteur affect´e (Fig. 3.6). La synchronisation temporelle entre les stations locales s’effectue grˆace `a la r´eception simultan´ee de signaux envoy´es par les satellites GPS en orbite autour de la terre, permettant d’atteindre une pr´ecision de 10 ns. On souhaite obtenir une pr´ecision d’au plus

θ

θ

dt = dl sin / c

front de gerbe axe de la gerbe

Fig. 3.6: Front de gerbe.

La station centrale

Elle centralise les donn´ees provenant tant des stations locales que des d´etecteurs de fluo-rescence (Fig. 3.1), g`ere ainsi l’intercalibration des deux dispositifs, et d´ecide des triggers de troisi`eme niveau. Elle sera a priori constitu´ee d’un ensemble de stations Unix reli´ees par un r´eseau local.

Dans son interaction avec les SL du r´eseau, elle rec¸oit les notifications de trigger 2. En-suite, selon la disposition spatiale des triggers 2 rec¸us dans un intervalle de temps donn´e, un algorithme sp´ecifique d´ecide du trigger de troisi`eme niveau ou non. Dans le cas o`u celui-ci est positif, les stations locales concern´ees en sont avis´ees et envoient alors les signaux corres-pondants, gard´es en m´emoire. Les ´ev´enements que les SL envoient `a la SC sont d´ej`a calibr´es (' 3.4.6).

Outre le traitement des donn´ees, la SC g`ere ´egalement leur stockage, donc est pourvue d’une base de donn´ee, consultable tant localement que par des utilisateurs ext´erieurs.