1.4 Emission radio des gerbes atmosphériques
2.1.2 Quelques expériences de détection radio actuelles
La liste d’expériences de radio détection des rayons cosmiques n’est pas exhaustive car elle ne réca- pitule que les différentes expériences basées sur une technique très semblable à celle développée depuis
2.1. LA RADIO DÉTECTION AUJOURD’HUI 71
FIGURE2.1 –Évènement LOPES. Gauche : traces brutes (filtre analogique 44-75 MHz). Droite : Traces filtrées après correction des retards liés à la direction de gerbe (phasage). Le pulse observé à -1.78 µs correspond à la gerbe cosmique [123].
plus de dix ans par l’expérience CODALEMA.
LOPES
L’expérience LOPES (LOFAR Prototype station) est située sur le site de KIT (Karlsruhe Institute of technologies) et constitue un réseau d’une trentaine d’antennes en parallèle du réseau de détecteurs de particules au sol de l’expérience KASCADE. L’extension maximale du réseau d’antennes est d’environ 200 m, certaines des antennes du réseau sont dédiées à la mesure la polarisation est-ouest (E-O) du signal, d’autres à la polarisation nord-sud (N-S) [124]. Le réseau de détecteurs de particules qui est utilisé principalement pour la physique des rayons cosmiques autour du second genou (voir section "1.2.1. De 1945 à nos jours. Questions d’astrophysique") constitue le déclencheur du réseau d’antennes LOPES. Malgré l’intérêt évident d’un réseau aussi performant que KASCADE, la détection radio des évènements est assez complexe sur ce site car l’environnement électromagnétique est très bruyant.
La bande de fréquence 44-75 MHz écoutée par chaque antenne est échantillonnée à une fréquence de 80 MHz sur 819 µs et fournit une forme d’onde de 65536 points de mesure. Cette longue trace a l’avantage de donner une bonne résolution fréquentielle (1.2 kHz). La mise en évidence de ces raies parasites au moment où la trace est enregistrée est réalisée grâce à un système qui scrute en permanence la bande de fréquence utile 44-75 MHz. Malgré ce traitement assez complexe, le bruit reste important et les signaux ne sont pas traités de manière individuelle. La reconstruction des directions d’arrivée des gerbes via le détecteur de particules KASCADE, permet d’estimer le déphasage temporel des impulsions observées par chaque antenne selon leur position par rapport à la gerbe. De cette manière, le transitoire radio dans chaque trace est localisé de manière précise. Afin d’affiner les retards temporels relatifs, des produits de corrélation entre toutes les traces sont réalisés. C’est la méthode du beam forming. Un exemple d’évènement est montré Fig.2.1 [123].
Les derniers résultats obtenus par l’expérience LOPES sont publiés dans [125]. En ajustant le profil latéral de chaque évènement avec une fonction du type f (R) = ε0exp(−R/R0), où R est la distance à l’axe
(voir Fig.2.2 en haut), la pente du profil latéral R0est estimée ainsi que le champ électrique ε0extrapolé
sur l’axe pour chaque événement. La Fig.2.2, en bas à gauche, présente l’histogramme de toutes les valeurs de R0reconstruites en ajustant le profil de tous les évènements retenus par LOPES. En ajustant
la distribution des R0avec une fonction du type gaussien, la valeur moyenne obtenue est de 157 m avec
un écart type de 54 m. Dans les résultats proposés par LOPES, la corrélation des observables radio avec le champ magnétique terrestre est étudiée en fonction de 1 − cos(α), où α est la distance angulaire entre la direction d’arrivée de la gerbe et le champ géomagnétique. Cette fonctionnelle utilisée par LOPES est assez étonnante si nous comparons avec la revue d’Allan [119] et avec celle déduite de l’expérience CODALEMA : sin(α)... Ce désaccord demeure encore aujourd’hui. Cela dit, en corrigeant de l’effet du champ géomagnétique (avec cette loi 1 − cos(α)), LOPES arrive néanmoins à montrer (Fig.2.2 en bas à droite) une forte corrélation entre l’amplitude du champ sur l’axe ε0 et l’énergie de la gerbe estimée
FIGURE2.2 –Résultats LOPES [125]. En haut : profils latéraux de deux évènements observés, ainsi que leur ajustement avec la loi f (R) = ε0exp(−R/R0). En bas à gauche : distribution des R0de tous les
évènements reconstruits et sélectionnés. En bas à droite : corrélation entre le champ électrique sur l’axe de la gerbe ε0, corrigé de l’effet du champ géomagnétique, en fonction de l’énergie du
primaire estimée via le détecteur KASCADE.
grâce aux détecteurs de particules KASCADE.
TREND
FIGURE2.3 –Vue d’une partie du réseau 21CMA à XinJiang en Chine sur lequel l’expérience TREND est située.
TREND (Tianshan Radio Experiment for Neutrino Detection) est une récente expérience de détection ra- dio des rayons cosmiques conçue pour étudier les gerbes atmosphériques très inclinées et qui seraient attendues pour la détection des neutrinos [126]. Démarrée en 2009 en collaboration avec la France, l’expérience TREND (voir Fig.2.3) est localisée sur le site du radio télescope chinois 21CMA à XinJiang dédié à l’observation du ciel dans la bande de fréquence 50-200 MHz, correspondant en particulier à une raie d’émission de l’hydrogène de longueur d’onde 21 cm, pour étudier l’époque de réioni- sation de l’univers. La qualité de l’environnement élec- tromagnétique et la disposition géographique en font un site privilégié pour l’observation radio dans l’impulsion- nel. Entourée de montagnes de haute altitude (au delà de 5000 m), le site du 21CMA situé à 2650 m d’altitude, est un endroit idéal pour tenter l’observation des gerbes horizontales initiées par des neutrinos interagissant dans
la roche qui constitue les montagnes environnantes. L’idée de l’expérience TREND est de détourner quelques antennes des 10160 antennes du réseau 21CMA pour les dédier à l’observation radio des gerbes cosmiques. Actuellement l’expérience TREND compte une cinquantaine d’antennes. Une récente publi- cation [126] montre les premiers résultats obtenus et les premières détections d’évènements.
2.1. LA RADIO DÉTECTION AUJOURD’HUI 73
FIGURE2.4 –Implantation de l’expérience AERA (carrés rouges) sur le site Auger (cuves Cerenkov en jaune), couvrant une surface de 20 km2.
EASIER
Egalement en phase de développement, EASIER est une expérience de détection radio des gerbes cosmiques en cours de développement sur le site de l’expérience Auger. L’idée est d’équiper les cuves Cerenkov déjà en place avec une antenne radio et d’utiliser le système d’acquisition des cuves pour le déclenchement et l’enregistrement des traces radio. EASIER se décline sous deux aspects : le MHz avec des antennes développées pour l’expérience CODALEMA et le GHz avec des antennes type "cornet" en cours d’études, dédiées à ces très courtes longueurs d’onde. En 2011, un signal a été observé pour la première fois au GHz par l’expérience EASIER, en coïncidence avec les cuves SD d’Auger [127].
AERA
AERA (Auger Engineering Radio Array) est le réseau d’antennes radio de nouvelle génération ac- tuellement en phase de déploiement pour sa deuxième phase, sur le site de l’expérience Auger (la phase 1 est en place depuis un an). Cette nouvelle expérience est le fruit des connaissances acquises grâce aux démonstrateurs CODALEMA, RAuger, LOPES et MAXIMA et a démarré sous l’impulsion de la col- laboration entre des groupes français, allemands et hollandais [128]. Ce réseau d’antennes est en phase de test et de démonstration de détection autonome à grande échelle. À très court terme, l’idée est de dé- ployer 150 stations mesurant les deux polarisations horizontales du signal (E-O et N-S) sur une surface de 20 km2(Fig.2.4). Les derniers résultats obtenus par AERA publiés dans [129] montrent les premiers
FIGURE2.5 –En haut : Vue aérienne du radiotélescope de Nançay. En bas à gauche : Une partie du réseau d’antennes du radiohéliographe. En bas à droite : Le réseau décamétrique (DAM) sous la neige.