L’instrument

Description générale

JEM-EUSO sera le premier grand observatoire spatial de gerbes atmosphériques qui

aura assez de statistiques pour étudier les rayons cosmiques de plus de 1020electron-volt

(eV). Il observera la lumière de fluorescence émise par la gerbe, ainsi que la lumière

Cherenkov réfléchie par la surface du sol ou les nuages.

Sa situation exceptionnelle à 430 km d’altitude sur l’ISS et son champ de vue très

large (_±30◦) lui permettra de couvrir 190000 km2 au sol, soit soixante fois plus que

l’Observatoire Pierre Auger (figure 2.3). Pendant la deuxième partie de sa mission, le

télescope pourra être incliné afin d’augmenter encore le volume d’atmosphère observée

(figure 2.2). Le système optique sera composé de 3 lentilles de Fresnel et le plan focal de

photomultiplicateurs multi-anodes pour un total de 300000 pixels[49].

Son détecteur sera composé de tubes photomultiplicateurs extrêmement sensibles.

Ces Photomultiplicateurs (PMs) seront organisés par cellules élémentaires de 4 PMs ;

9 cellules élémentaires formant un module appelé Photo Detector Module (PDM). 137

PDM composeront la surface focale pour un total de 4932 PMs, soit 300000 pixels. Une

électronique de lecture rapide rendra possible la prise d’images toutes les 2.5µs, soit

400000 images par seconde, afin de pouvoir décomposer le développement de la gerbe en

temps réel et reconstruire sa direction d’arrivée.

Les 3 lentilles de Fresnel d’un diamètre de 2.5m lui apporteront le large champ de

vue nécessaire à la détection de ces événements extrêmement rares, avec une résolution

angulaire de 0.07°sur la surface focale hautement pixelisée.

Un système de contrôle de l’atmosphère Atmospheric Monitoring System (AMS)

sera rajouté au télescope principal. Il comprendra une caméra infrarouge et un système

LIDARLIght Detection And Rangingpour surveiller les conditions atmosphériques dans

le champ de vue de JEM-EUSO et notamment pour mesurer l’altitude des nuages à 500m

près.

FIGURE2.3 –Surface observée au sol par JEM-EUSO comparée celle de AUGER et de AGASA, pour les

deux modes de fonctionnement[53].

FIGURE2.4 – Vue schématique de l’instrument JEM-EUSO avec ses 3 lentilles (gauche) et de sa surface

focale éclatée (droite)[49].

FIGURE2.5 –Simulation des photons reçus par m

par le télescope pour un rayon cosmique de ultra-haute

énergie de 10

eV[55].

Performances attendues

La figure 2.5 montre le nombre de photons vu par JEM-EUSO dans le cas d’une gerbe

atmosphérique induite par un rayon cosmique de 1020eV. Le télescope est capable de voir

la lumière de fluorescence ainsi que la lumière Cherenkov. La lumière de fluorescence et

sa décomposition temporelle permet de recomposer l’énergie de la particule primaire. La

lumière Cherenkov réfléchie et son temps d’arrivée permet de calibrer la reconstruction

en donnant plus d’information sur la direction d’arrivée du rayon cosmique[55]. Une

étude détaillée[56] montre que la direction d’arrivée peut être reconstruite à 2.5°près

pour une gerbe atmosphérique classique issue d’un rayons cosmiques deE >1020eV.

L’énergie quant à elle peut être pour l’instant reconstruite avec une erreur de 20%

pour une énergie de primaire de 4x1019eV.

La figure 2.6 montre la capacité de JEM-EUSO à observer les rayons cosmiques de

ultra-haute énergie. L’instrument atteint son efficacité maximale à partir de 3x1019 eV

pour l’échantillon réduit (rouge) et à partir de 6x1019eV pour tous les évenements vus.

L’exposition annuelle sera au moins 9 fois plus élevée que celle de l’Observatoire Pierre

Auger[56]. JEM-EUSO fournira donc 9 fois plus de données par an que AUGER et ceci

en couvrant uniformément tout le ciel, rendant les études d’anisotropie plus simples.

Démonstrateurs

Afin de démontrer le principe expérimental de l’instrument et les technologies

asso-ciées, et d’améliorer la maîtrise de cette technologie, un certain nombre de

démonstra-teurs et expériences tests ont été mis en place ou vont bientôt être exploité[49].

FIGURE2.6 –Exposition annuelle de JEM-EUSO en fonction de l’énergie pour les deux conditions extrêmes :

le champ de vue entier (bleu) et la limitation au centre du champ de vue et aux gerbes les plus faciles à observer

(rouge)[55].θest l’angle que fait la gerbe avec la verticale, à partir du point d’impact.

– EUSO-Ballon :EUSO-Ballon est le démonstrateur au centre de cette thèse. Il a

donc bien sûr le droit à une section spécialement pour lui : section 2.2. Embarqué

en ballon stratosphérique, il utilise la technologie et les méthodes de JEM-EUSO.

Utilisant un PDM et un système de lentilles de Fresnel et regardant vers le bas

depuis le sommet de l’atmosphère, EUSO-Ballon sert de test end-to-end grandeur

nature du télescope spatial. Il a aussi pour but de mesurer le bruit de fond UV

et d’observer peut être la première gerbe atmosphérique géante depuis l’espace.

Dirigé par l’agence spatiale française, le CNES, il a effectué son premier vol le 25

août 2014.

– EUSO-TA : Le deuxième prototype est composé d’un PDM et de lentilles de

Fresnel de 1m sur 1m. Il est basé au sol à côté des télescopes de fluorescence du

Telescope Array en Utah. EUSO-TA[57] observe la lumière UV dans l’atmosphère

en même temps que les autres télescopes de fluorescence du site. Le recoupement

des données peut servir de calibration et de contrôle. Il est aussi en capacité

d’uti-liser les lasers de calibration duTelescope Array. Placé idéalement en synergie avec

une expérience mature, il permettra de mieux comprendre les performances futures

de JEM-EUSO. Ses observations ont commencé au début de l’année 2015.

– Mini-EUSO :Le troisième démonstrateur est Mini-EUSO. C’est un modèle réduit

avec des lentilles de Fresnel de 25cm de diamètre qui sera embarqué sur l’ISS. Il

a pour but d’observer l’émission UV de la Terre depuis l’orbite de la station, en

parcourant tout le globe, et donc de donner des mesures de bruit de fond. Il pourra

potentiellement voir quelques phénomènes atmosphériques.

FIGURE2.7 –EUSO-TA devant les télescopes de fluorescence duTelescope Array[49].

En plus de ces trois démonstrateurs, il existe un projet indépendant mais soutenu

par la collaboration JEM-EUSO :

– K-EUSO : Une collaboration a été établie entre la communauté EUSO et le

projet russe KLYPVE[58]. C’est un détecteur spatial de fluorescence avec un grand

miroir, ayant des objectifs scientifiques similaires : étudier les rayons cosmiques

de ultra-haute énergie. En utilisant une lentille de Fresnel supplémentaire et une

surface focale du type de JEM-EUSO, la communauté scientifique de EUSO a pu

améliorer la conception de l’expérience. De plus petite taille, le projet n’atteindra

pas les capacité de JEM-EUSO mais vise à effectuer la première détection de gerbe

atmosphérique géante depuis l’espace.