Caractéristiques physiques
Plusieurs dizaines de sorties en mer, en sus des données recueillies par Antares, ont permis de mesurer les caractéristiques optiques du milieu marin à l’emplacement du détecteur. La température varie entre 13.1 et 13.3 ℃, pour une pression située entre 200 et 260 atm et une salinité de l’ordre de 38-39%. Ces paramètres déterminent la valeur de l’indice de réfraction, qui influence directement les propriétés du signal. Le tableau (ii) 1.1 présente la concentration des principaux éléments, de laquelle dépend entre autres la section efficace d’interaction des neutrinos [118].
H O Na Mg Cl
Z 1 8 11 12 17
A (u) 1.00794 15.9994 22.9898 24.3050 35.4527
w 0.1074 0.8541 0.0132 0.0015 0.0237
Tab. (ii) 1.1: Composition de l’eau de mer au niveau d’Antares. Les différentes lignes indiquent res-pectivement le numéro atomique Z, la masse atomique relative A et la masse relative w pour une salinité
de 38.44%.
1On rencontre également d’autres terminologies, généralement composées d’adjectifs liés à la Ligurie, la Pro-vence et/ou la Catalogne, en fonction des influences géographiques, ces trois régions étant longées par le courant LPC.
Biosalissures et sédimentation
Fig. (ii) 1.2: Photographie d’un OM de
la ligne 6 [img26]. L’effet de verre brisé
correspond aux biosalissures , et de
la sédimentation est visible sur le ruban adhésif. Cet OM est un cas extrême : les biosalissures observées sur les autres OMs sont moins importantes.
Dès leur immersion, les modules optiques (OMs, pa-ragraphe (ii) 3.3) sont enveloppés de micro-organismes. Ce phénomène est désigné sous le terme de biosa-lissures, ou biofouling. La colonisation se déroule en deux temps. Les macromolécules (organiques ou non) présentes dans l’eau forment en quelques minutes un film sur l’OM, qui modifie les propriétés de sa sur-face, facilitant l’adhésion des algues, champignons et surtout bactéries. Celles-ci se fixent sur la surface en quelques heures, puis forment des microcolonies qui constituent, avec les autres micro-organismes, un bio-film pouvant modifier significativement les propriétés optiques de l’OM. Les tests ont toutefois montré que les propriétés de l’eau sur le site d’Antares limitent la croissance de ce biofilm. La figure (ii) 1.2 présente un des cas les plus spectaculaires de biosalissures sur l’un des OMs d’Antares, après la récupération de la ligne 6. Des échantillons prélevés sur les OMs à cette occasion sont actuellement en cours d’analyse [119].
Bien que plus importante sur le haut de l’OM, la population de bactéries n’est pas tellement sensible à l’orientation : des mesures effectuées entre 1997 et 1998 ont montré qu’elle est de l’ordre de 105cm−2au bout de quelques mois et semble stagner. De plus, sa transmission optique semble très bonne, proche de 100 % entre 350 et 850 nm. La perte de sensibilité optique des OMs est donc essentiellement due à la sédimentation. Du fait de leur orientation (lire le paragraphe (ii) 3.3), les OMs y sont peu sensibles : elle est très faible sur la partie optiquement active de l’OM, et est estimée à environ 2 % après 1 an au niveau de l’équateur de l’OM [103].
Diffusion
La transparence d’un milieu non vide n’est jamais totale. L’absorption de la lumière par un milieu est caractérisée par la longueur d’absorption λabs, au-delà de laquelle le nombre de photons non diffusés est diminué d’un facteur 1e. Le flux de photons φ obéit alors à la loi de Beert-Lambert, et s’écrit en fonction de la distance d au point d’origine,
φ(d) = φ(0)e−λabsd . ((ii) 1.1)
Les photons peuvent également être diffusés au cours de leur parcours, c’est-à-dire changer de direction. Cette diffusion peut se faire au niveau moléculaire (diffusion Rayleigh) comme au niveau macroscopique (diffusion de Mie). De la même manière que pour l’absorption, on définit une longueur de diffusion λdiff telle que
φ(d) = φ(0)e−λdiffd . ((ii) 1.2)
Il est commode de combiner λabs et λdiff en une longueur effective d’atténuation λeffatt, de sorte que 1 λeff att = 1 λabs + 1 λeff diff , ((ii) 1.3)
1. Le site et ses propriétés 53 10-3 10-2 10-1 1 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
collimated air data 24 m data 44 m data
time delay (in ns) BLUE 10-3 10-2 10-1 1 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
collimated air data 24 m data 44 m data
time delay (in ns) UV Longueur d’onde [nm] 300 350 400 450 500 550 600 Longueur [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 abs L diff L att eff L
Paramètres optiques du modèle partic-0.0075
Fig. (ii) 1.3:À gauche, distribution des temps d’arrivée des photons sur un OM à 24 et 44 m de distance, normalisées et décalées de sorte que le maximum soit en t = 0, pour λ = 466 nm et λ = 370 nm, mesurées
in situ respectivement en juin 2000 et septembre 1999, et étalonnées par des données obtenues par lumière
collimatée dans l’air [img27]. Le pic correspond aux photons dont la trajectoire est directe, et la queue aux photons diffusés. À droite, paramètres optiques utilisés pour la simulation Monte-Carlo. Les pointillés
bleus désignent la longueur de diffusion Ldiff, les traits interrompus courts rouge la longueur d’absorption
Labset les traits continus la longueur effective d’atténuation Leff
att. Les traits fins correspondent aux valeurs
les plus à jour, et les traits épais à celles utilisées dans cette étude — les premières n’ayant pas été mises à jour dans la suite de simulation KM3 (paragraphe (iv) 3.5) [img16].
où la longueur effective de diffusion est donnée par λeffdiff = λdiff
1 − hcos θi, ((ii) 1.4)
hcos θi étant la valeur moyenne du cosinus de l’angle de la diffusion. La longueur d’absorption,
la longueur de diffusion et par conséquent la longueur effective d’atténuation dépendent de la longueur d’onde et varient au cours du temps. Les mesures effectuées sur le site d’Antares entre 1997 et 2000 sont comprises approximativement entre 20 m et 26 m en UV et entre 40 m et 65 m dans le bleu [120]. La figure (ii) 1.3 montre les valeurs utilisées pour les simulations Monte-Carlo.
Ces paramètres ont une grande importance pour Antares : une augmentation de 10 % de la longueur d’absorption aurait pour conséquence une augmentation de 20 % du flux de muons atmosphériques mesuré (voir la figure (iv) 4.21).
Vitesse de la lumière
La vitesse de la lumière dans un milieu matériel est différente de celle de la lumière dans le vide, en raison de l’interaction des photons avec les composants du milieu2. Elle est donnée par la relation v = nc, où n est l’indice de réfraction du milieu traversé. Ce paramètre a une forte influence sur l’angle d’émission du rayonnement Čerenkov (lire le paragraphe (ii) 2.3). Il est défini comme la racine carrée du produit entre la perméabilité magnétique µr (égale à 1 pour
2Curieusement, l’interprétation microscopique de ce phénomène semble faire défaut, hormis quelques tentatives récentes [121].
un matériau non magnétique) et la permittivité diélectrique εr du milieu : n2 = µrεr. Pour un milieu dispersif, où l’indice de réfraction dépend de la longueur d’onde considérée, la vitesse de la lumière, ou vitesse de phase, ne correspond cependant pas à la vitesse réelle des photons : celle-ci est donnée par la vitesse de groupe vg, qui s’exprime en fonction de l’indice de groupe
ng par vg = c
ng (pour un milieu non dispersif, ng= n). Ce paramètre agit donc directement sur le temps d’arrivée des photons sur le détecteur, et dépend également de la longueur d’onde des photons.
Dispersion
L’indice de réfraction n est ajusté en fonction de la longueur d’onde λ, de la pression P, de la température T et de la salinité S du milieu par l’équation :
n(λ, P, T, S) = n0+ n1P + (n2− n3T + n4T2)S − n5T2+n6+ n7S − n8T
λ −
n9
λ2 +n10
λ3 , ((ii) 1.5)
les valeurs des paramètres ni étant indiquées dans le tableau (ii) 1.2 [122].
n0 n1 n2 n3 n4
1.31405 1.45 × 10−5 1.779 × 10−4 1.05 × 10−6 1.6 × 10−8
n5 n6 n7 n8 n9 n10
2.02 × 10−6 15.868 0.01155 0.00423 4382. 1.1455 × 106
Tab. (ii) 1.2: Paramètres pour l’ajustement de l’indice de réfraction (équation (ii) 1.5).
L’indice de groupe ng est quant à lui obtenu en fonction de l’indice de phase et de sa dérivée par rapport à la longueur d’onde [122] :
ng(λ) = n(λ)
1 +n(λ)λ dn(λ)dλ . ((ii) 1.6)
L’indice de groupe est assez facile à mesurer expérimentalement : il suffit de mesurer le temps mis par un signal lumineux pour parcourir une distance donnée. Les mesures effectuées avec Antares sont compatibles avec ce modèle [123].
Fig. (ii) 1.4:Variations des indices de réfraction
de phase (np, courbe inférieure, en rouge) et de
groupe (ng, courbe supérieure, en bleu), en
fonc-tion de la longueur d’onde sur le site d’Antares, selon les relations (ii) 1.5 et (ii) 1.6 (le double trait indique la variabilité entre le haut et le bas des lignes, l’indice augmentant avec la pression), et mesures préliminaires obtenues à partir des balises optiques d’Antares [img28].
1. Le site et ses propriétés 55