Panneau solaire
Figure 2.5 Vues s hématiques du LAT. Gau he : vue de dessus. Les 16 tours sont
identi ées et les axes du repère instrumental sont indiqués. Droite : vue é latée. Une
tour du traje tographe au-dessus du module orrespondant du alorimètre sont mises
en éviden e. Le déte teur anti- oïn iden e (tuiles grises) est protégé par un d me
anti-mi rométéorites (en jaune) ( g. 1[20℄).
in idente. Cela permet aussi une ertaine redondan e de l'information, don une plus
grande abilitéde l'instrument àlong terme.
Le traje tographe (TKR pour tra ker )
Le traje tographe du LAT se ompose de 16 tours identiques. Cha une est un
em-pilement de 18 tiroirs omprenant une ou he de tungstène (W) pla ée entre deux
plaques de 24 pistes de sili ium (Si) (voir g. 2.6). La harge importante du tungstène
favorisela onversiondes photons. Les
e+
et
e−
réés,en traversant lespistesde sili ium,
ydéposentassezd'énergiepour réerun ourantéle triquedanslesemi ondu teur.
L'ori-entationalternée despistesde sili ium(selonlesaxesXetY dudéte teur)etlastru ture
modulairede l'ensemble permettentde lo aliser haque petit dép td'énergie, l'ensemble
de es impa tsformantlatra e laisséepar haque parti ule. Lesdire tions des tra esdes
e+
et
e−
permettent de re onstruire la dire tion du photon in ident. Le faible rapport
hauteur/largeur (= 0,4) du traje tographe onfère au LAT son large hamp de vue (2,4
sr dans l'analyse usuelle,voir 2.2.3).
L'épaisseur de la ou he de tungstène varie entre les tiroirs. Elle est ne (0,03
X0
) dans les 12tiroirs supérieurs pour limiter les diusions multiples des parti ules hargéespar le onvertisseur, ar elles- i dégradent la résolution angulaire. Dans les 4 suivants
elle est plus épaisse (0,18
X0
) pour augmenter la surfa e e a e, en parti ulier à haute énergie. Les deux derniers tiroirs en sont dépourvus, e qui limite les pertes d'énergiedes parti ules et permet une bonne re onstru tion de leurs traje toires. Les événements
(photons, parti ules hargées) dontlatra e démarre dans unedes 12 ou hes supérieures
Figure 2.6 S héma de prin ipe du traje tographe ( g. 5 [20℄). La omposition d'un
tiroir ( tray ) et les espa es relatifs entre les diérentes ou hes le omposant sont
représentées, ainsi que l'alternan e d'orientation des pistes de sili ium. Plusieurs as de
onversion et déte tion de photons sont envisagés. (a) Cas idéal d'une onversion dans
la ou he de tungstène : lespistes de Si sontpla ées immédiatement au-dessous, auplus
près, pour que la lo alisation du point de onversion soit le moins possible ae tée par
les diusionsmultiples( as e). (b) Les pistessont assez étroites(228
µ
mde largeur)pour permettre de distinguer lesdeux tra es, e qui améliorelarésolution angulaireet lerejetde rayons osmiques ne laissant qu'une tra e primaire. Ce i permet aussi de déte ter les
rares onversions n'ayantpas lieudans letungstène ( as e). ( ) Les ou hes de tungstène
ne ouvrentpaslesespa esentrelespistesdeSipourlimiterles onversionsmallo alisées.
Ces dernières n'ont lieuqu'aux extrémitésdes zonesa tives( as d).
Une parti ule hargée qui traverse le traje tographe laisse de l'énergie par diusion
dans les ou hes de onvertisseur qu'elle traverse. Ces dép ts sont omptabilisés dans
l'estimation de l'énergiede laparti ule(éventuellement du photon) in idente, l'épaisseur
de la ou he de tungstène traversée et l'angle d'in iden e sont pris en ompte. Pour des
photons d'énergie inférieure à 80 MeV 'est la seule donnée utilisable, les se ondaires de
es événements n'atteignant pas le alorimètreen général.
Silebruitéle tronique dansunepiste dépasse leseuil orrespondantaupassaged'une
parti ule hargée, ettepistedevientinutilisable.Ce idiminuel'e a itédedéte tiondes
tra esetdon dégrade unpeulasurfa ee a eetlarésolutionangulairedel'instrument.
La fra tion de pistes à ignorer reste plus faible que 10
−4
à e jour, ainsi l'eet de e
vieillissementest en ore négligeable.
Le alorimètre (CAL)
Le alorimètre, situé au-dessous du traje tographe, est formé de barreaux d'iodure
de ésium (CsI) dans lesquels les parti ules hargées développent une gerbe et déposent
une grandepartie de leur énergie.Le matériau ainsi ex ité s intille,et la olle tionde la
lumière par diérentes photodiodes aux extrémités de haque barreaupermet la mesure
Figure 2.7 Gau he : Vue é latée d'un module du alorimètre du LAT ( g. 6 [20℄).
Droite :Asymétrie de la olle tionde lumière de s intillation due au passage de muons
dans un barreau du alorimètre,en fon tionde lapositionde l'impa tsur lalongueur du
barreau. L'asymétrieestexprimée ommelelogarithmedu rapportdestensionsmesurées
aux extrémités du barreau. Test ee tué avant lan ement à l'aide de muons se ondaires
du rayonnement osmique. ( g. 7[20℄).
À haque extrémité de haque barreau se trouvent deux photodiodes. Le ourant de
haque photodiode est ampli é par deux gains, les 4 anaux disponibles permettent de
ouvrir entièrement la gammed'énergie déposée : de 2MeV à70 GeV par barreau. Pour
haque événement, seul le anal le plus adapté est lu, aux extrémitésde haque barreau
atteint.C'est ladiéren e d'intensité lumineuse entre lesdeux extrémités qui permet de
situer pré isément haque dép t. On lit la totalité des voies du alorimètre de manière
périodique pour l'étalonnage : si au une parti ule ne passe dans le déte teur au même
moment on lit la tension en l'absen e de signal. La moyenne de la distribution de es
le tures répétées donne, pour haque voie, le piédestal, valeur à soustraire de la tension
lue pour onnaître laquantité d'énergie ee tivement déposée. La moyenne et la largeur
de ette distributionsont déterminées par lebruit éle tronique.
La mesure et la lo alisationde haque dép t d'énergie permet d'a ner la mesure de
l'énergie et de la dire tionde la parti ule in idente. Le pro édé est itératif: la dire tion
de l'événement est d'abord donnée par le bary entre des dép ts d'énergie dans le CAL
et lesdeux premiersimpa ts dans le TKR. Cette informationest utiliséepour modéliser
la forme de la gerbe, e qui permet de orriger le dép t d'énergie mesuré en tenant
ompte des pertes dans les intersti es et de la partie non- ontenue dans le déte teur (la
profondeur du CAL est de 8,6
X0
). Cette estimation de l'énergie permet en n d'a ner la mesure de dire tion dans le TKR, les probabilité de diusions multiples diminuantave l'énergie de la parti ule in idente. La modélisation de la gerbe fournit aussi une
informationsurlanaturedel'événement:unegerbehadroniqueestpluslargeparexemple
qu'une gerbe éle tromagnétique, e qui permet de re onnaître une partie des protons et
ions du rayonnement osmique.
Le bruit éle tronique, qui détermine les piédestaux, augmente ave la température,
et aussi éventuellement ave le temps. Quand le bruit est plus important que la
Figure 2.8 S héma de l'ACD ( g. 9 [20℄). 89 tuiles re ouvrent le traje tographe : 25
sur le dessus et 16 sur haque fa e. Pour éviter de laisser des espa es non- ouverts, les
tuiles du dessus se hevau hent dansune dire tion. Dans l'autredire tion, quatre rubans
de bre optique passent entre les tuiles du dessus et des fa es et sont ouplés à deux
photomultipli ateurspla és àleurs extrémités aubas de haque fa e de l'ACD.
signi ativementles performan es du CAL.Les variations de températureobservées lors
d'observationspointéesétaientdel'ordrede2
◦
Cetn'ontpasnonplusae tésensiblement
la mesured'énergie.
Ave le temps, le CsI irradié absorbe une fra tion de plus en plus importantede son
proprerayonnementdes intillation.Ce iréduitl'asymétrieentrelesdeuxextrémitésd'un
barreau, e qui ae te la modélisationde la gerbe. Pour prendre en ompte ette
évolu-tion, des runs dédiés à l'étalonnage sont ee tués tous les 3 mois environ pour mesurer
l'asymétrie dans haque barreau. Les référen es utilisées pour la re onstru tion des
ar-a téristiques des événements sont misà jouraufur et àmesure.
Le déte teur anti- oïn iden e (en anglais ACD)
Un déte teur anti- oïn iden e, formé de tuiles de s intillateur plastique, re ouvre le
dessusetles tésdutraje tographe(voir g.2.8).Cematériaunes intillequelorsqu'ilest
traversé paruneparti ule hargée, e quipermetd'utiliser e sous-déte teur ommeveto.
Dans la logique de dé len hement à bord, haque tour du TKR est asso iée à plusieurs
tuilesdel'ACDpla éesau-dessus.Lesévénementsde hauteénergie(
>
10GeV)réagissant ave lematériaudu alorimètreproduisentdes parti ules se ondaires dans l'ensembledel'instrument, dont ertaines peuvent déposer de l'énergie dans les tuiles de l'ACD. Seuls
les dép ts situés dans les tuiles asso iées à la tour d'entrée du photon sont prises en
ompte dans la ondition de veto. Ainsi, seuls
∼
20% des photons de es hautes énergies sont éliminéspar un veto appliqué àleurs parti ules se ondaires ( self-veto ).Chaquetuile de s intillateurest reliéepar des bres optiquesàdeux
photomultipli a-teurs redondants.Lespiédestaux etgainsde eux- ivarientave latempérature. Ils
2.2.2 Du photon aux données nales
En vol : déte tion et pré- ltres
Cha un des sous-déte teurs dé rits i-dessus parti ipe à la déte tion des parti ules
in identes.Le TKRdéte te lepassagedes parti ules hargées(primaires ouse ondaires).
L'ACD,répartienzonesasso iées à haquetour duTKR,déte te l'entréed'uneparti ule
hargée.LeCALmesureledéveloppement des gerbeséle tromagnétiques.Un dép td'au
moins 2MeV est né essaire pour enregistrerlepassagedans un barreau. Deuxseuils sont
dé nis pour distinguer le passagede parti ules de haute outrès haute énergie: 100 MeV
et 1GeV par barreau.
Ce i dé nitune liste de onditions de base ou trigger primitives :
externe ( ondition non-physique)
solli ité ( ondition non-physique)
périodique : ( ondition non-physique) le ture, dé len hée à une fréquen e de 2
Hz, de l'ensemble des voies du CAL, a n de suivre l'évolution de leurs piédestaux
(voirplus haut).
TKR :aumoins troisimpa tsalignéssont né essairespour onserverun
événe-ment.
ROI :ACD en mode veto (voir plus haut).
CNO : granddép td'énergie dans l'ACD. Ce i sert àdéte ter lesions
relative-ment lourds(
Z > 6
),d'où son nom : CarbonNitrogen Oxgen . CAL-LO :CAL ave seuil à 100 MeV par ristal.CAL-HI : CAL ave seuil à 1 GeV par ristal.
Pour haque événement in ident, la première ondition remplie marque le début d'une
période de 1,5
µ
s appelée fenêtre de trigger, pendant laquelle les informationsde trigger de l'événement seront enregistrées. Les parti ules in identes sont réparties en fon tiondes ombinaisonsde onditions de bases qu'elles remplissent,ou trigger engines (voir
tab. 2.1). Par exemple, un photon d'origine astrophysique remplit d'abord la ondition
TKR, puis éventuellement CAL àl'un oul'autre seuil si son énergie est su sante etson
in linaison pas trop importante, ela sans a tiver le veto de l'ACD, e qui orrespond
typiquement autrigger enginenuméro 7.
Unepremière étapedu rejet du rayonnement osmique adon lieui i.Sila ondition
ROI est remplie lapremière, e qui orrespond à un rayon osmique hargé,l'événement
n'est pas gardéen mémoire.Cette ondition peut être rempliependant lafenêtre de
trig-ger ouverte par un photon, si une parti ule hargée arrive pendant que ette fenêtre est
en ore ouverte. La ondition CNO ne doit pas non plus être remplie la première, ela
orrespondrait à un rayon osmique de haute énergie. La ondition CAL LOne doit pas
être remplie la première non plus, ela orrespond à des photons ou parti ules hargées
de haute énergie provenant de laTerre oudu rayonnement osmique Gala tique,qui
at-teignentleCALparledessousoule an .Commeilsnepassentpasd'abordparl'ACDon
ne peut pasdistinguer lesphotons desparti ules hargéesdon ilvaut mieuxtoutrejeter.
Les photons et parti ules de très haute énergie (remplissant la ondition CAL HI) sont
moins nombreux, età es énergies onpeut distinguer une gerbe éle tromagnétique d'une
gerbehadronique,ilssontdon retenusetanalysésausol.Pour ertaines ombinaisonsde
onditionsasseztypiques departi ules hargéeson hoisitdenepas gardertousles
35 4 0 0 0 1 x 1 1 1 oui 4 -5 0 0 0 1 x x x x oui 1 249 6 0 0 0 0 1 x x x oui 1 -7 0 0 0 0 0 x 1 0 oui 1 -8 0 0 0 0 0 1 0 0 oui 1 -9 0 0 0 0 0 1 1 1 oui 1 -10 0 0 0 0 0 0 1 1 oui 1 49
Table 2.1 Logique de dé len hement à bord. Chaque ligne indique la omposition d'un trigger engine, ombinaisondes onditions
de base outrigger primitives. Lespréfa teurs appliqués pour la mémorisationdes événements remplissantles diérentes ombinaisons
sontindiqués,ainsiquelenombrede anauxlusà haque boutde haque ristaldu alorimètre.La ombinaisonnuméro3sert ausuivi
mentdes ions du rayonnement osmique malre onstruits don inutiles pour l'étalonnage
de l'instrument.
Chaqueévénement est présenté àune sériede ltres,basés àlafoissur es onditions
de base etsurune re onstru tionsimpli éedes tra esee tuéeàbord :photon,ion
lourd (
Z
=6etplus), MIP pour parti uleau minimumd'ionisation (essentielle-mentdesprotons)etdiagnostique.Le ltreMIPn'estutiliséquelorsderunsdédiésoù onse sert du dép t d'énergie onnu de es parti ules omme étalon.Les autres ltres
sont onstamment utilisés. Les ltre ion lourd séle tionne des ions bien re onstruits
du rayonement osmique pour l'étalonnage, notammentde l'é helle de mesure d'énergie.
Le ltrediagnostiquepermetdegarderdesparti ulesdetoutesnatures, enappliquant
des préfa teurs sur les ombinaisonsde onditions de base. Le ltre photon applique
une séle tion jusqu'à20 GeV, eta epte tous lesévénements au-delà.
Au sol : re onstru tion et lassi ation
Les données brutes ontiennent des informations basiques telles que : date de
dé- len hement, informationsde trigger, pistes ayant vu l'événement, ristaux lus etdép ts
d'énergie. Elle sont enregistrées à bord, et envoyées au sol 6 à 8 fois par jour, en ordre
quel onque, via leréseaude satellites
T DRSS
(Tra kingand DataRelay Satellite Sys-tem ) et ses antennes radio au sol [21℄. Les données brutes sont transmises au entrede al ul du
SLAC
, où le traitement peut ommen er : re onstru tion des tra es et des vertex, al ulde l'énergiedesparti ules in identes.Lesparti ulessont lasséesparnatureprobable en fon tion des étapespré édentes. Ce pro essus de re onstru tion etde
lassi- ationsuit un réseaude neuronesde type lassi ationtree [22℄.Lesbons andidats
photons sont onservés pourl'analyse. Une voiesupplémentaire aété ajoutée ré emment
pour la lassi ation etl'analyse des éle trons etpositrons [23, 24℄.
Les générations su essives de es réseaux de neurones sont appelées Pass . Les
données publiques a tuelles sont issues de la lassi ation Pass6, trois lasses de
andi-dats photons y sont dé nies, de moins en moins ontaminéespar le fondde rayonnement
osmique : transient qui maximise le signal des sour es transitoires, sour e prévue à
l'originepour l'étudedes sour espon tuelleseta tuellement inusitée,etdiffuse utilisée
pour l'étudedes sour es permanentes pon tuelles ou étendues. Une lasse extradiffuse
en ore plus pure a été mise au point pour l'étude de l'émission diuse
extragala -tique. La lassi ation Pass7 est a tuellement testée par la ollaboration,en interne,elle
omprend 10 lasses de photons, y ompris des événements re onstruits uniquemement
grâ e auTKR ou uniquement grâ e auCAL. Elle omprend aussi des lasses de leptons,
protons, noyaux d'hélium, et ions lourds lairement identi és. La génération suivante,
Pass8,est en oreen développementetimpliqueune nouvellere onstru tion.Celle- idoit
permettrede diéren ierla ontributiondel'événementre onstruit,de elled'événements
a identels, rayons osmiques hargésayantatteintledéte teurpeude tempsauparavant
et laissé une empreinte dans lessous-déte teurs. Ceux- ipeuvent générer un mor eau de
tra e supplémentaire dans le TKR ou déposer jusqu'à 30 MeV dans le CAL, e qui
dé-grade la qualité des événements re onstruits et diminue don l'a eptan e des lasses de
photons standard. Il s'agit essentiellement de rayons osmiques hargés de basse énergie,
dont le ux dépend de laposition du satellitedans le hamp magnétique terrestre, etest
don orrélé au paramètre
L
de M Ilwain. Ce ux variable de parti ules hargées a été pris en omptepour réestimerlesfon tionsderéponsepourlesdonnées lassi ées d'aprèsÉtalonnage de l'instrument et tests des méthodes de re onstru tion
Les méthodes de re onstru tion ont été testées sur de grandes quantités de photons
simulés. Ces simulations ont été ee tuées à l'aide de gleam [25℄, programme dérivé de
geant4prenanten omptelagéométrieduLATetl'ensembledesréa tionspossiblesentre
la parti ule in idente et le déte teur. Les fon tions de réponse de l'instrument (IRF en
anglais)sontaussidérivées detellessimulations.Lafon tion d'étalementà un point(PSF
pour Point Spread Fun tion) est la distribution des dire tions re onstruites
d'événe-ments provenant d'une même dire tionvraiesupposée. Celle- i est en général onsidérée
symétrique de révolution et seul son rayon de ontenan e à 68% est tabulé. La surfa e
e a e de déte tion (
Aef f
) est unese tione a e ma ros opiqued'intera tionentre une parti ulein idente etledéte teur- ible. Lafon tion de redistribution en énergieen n estla distribution de l'énergiemesurée de photons de même énergievraie, salargeur est
ap-peléerésolution énergétique.Ces grandeurs sontparamétrisées, interpoléesettabulées en
fon tion de l'énergie vraie des parti ules simulées et de l'in linaison de la position vraie
de leur sour e dans le hamp de vuede l'instrument (voir 2.2.3).
Lessimulationsontétévalidées(et orrigées le asé héant)àpartirde vraiesmesures.
Avant le lan ement, plusieurs séries de tests sur fais eaux ont été ee tuées, au
CERN
(Genève), au
GSI
(Darmstadt,Allemagne),etauSLAC
(Stanford,É.-U.)[26℄.L'unité d'étalonnage onstituée de deux tours du TKR et 3 modules du CAL, a été soumiseà des fais eaux d'éle trons et de protons de 1 GeV à 300 GeV, et aux photons de leur
rayonnemement de freinage observés entre 50 MeV et1 GeV.
Un étalonnage en vol a également été ee tué, il est dé rit dans [27℄. L'étalonnage