RAuger-I, démonstration réussie

Le premier dispositif de radio détection autonome, nommé RAuger-I, est installé en plein cœur de l’expérience Auger autour de la cuve additive "Apolinario" comme le montre la Fig.2.28, à 900 m du CLF (Central Laser Facility). Cette cuve autour de laquelle est agencé le mini réseau d’antennes, a été ajoutée au centre d’une maille élémentaire du réseau Auger, de sorte que le seuil en énergie de l’expérience Auger soit abaissé localement. Le mini-réseau RAuger-I est composé de trois prototypes de stations, A1, A2 et A3 formant un triangle équilatéral de 8400 m2_{(voir Fig.2.29) et fonctionnant en totale autonomie}

en termes d’alimentation, de déclenchement, d’acquisition et de transmission de données. Chacune des trois stations est située dans un enclos carré de 100 m2_{dans lequel se trouvent deux dipôles du même type}

que ceux utilisés à CODALEMA, disposés perpendiculairement l’un par rapport à l’autre, mesurant ainsi la polarisation N-S et E-O du champ électrique. Comme sur l’expérience CODALEMA, chaque dipôle est équipé d’un amplificateur à bas bruit équipant les radiateurs en aluminium de 60 cm, composant l’antenne dipôle (pour plus de détail se reporter à [135]). La chaîne d’acquisition, au niveau d’une station

FIGURE2.28 –Localisation du site RAuger au sein de l’expérience Auger.

FIGURE2.29 –Gauche : Dispositif des trois stations autonomes A1, A2 et A3, autour de la cuve Apolinario. Droite : vue d’une station autonome composée de ces deux antennes dipolaires, de panneaux solaires et d’une boite dans laquelle l’électronique d’acquisition est enfermée.

autonome, est ensuite composée de différents éléments :

– une carte trigger équipée d’un filtre passe-bande remplaçable pour s’affranchir des fréquences polluées par l’activité humaine ;

– un oscilloscope portable deux voies Tektronix THS730A, équipé d’un convertisseur analogique- numérique 8 bits adapté pour les larges bandes. Le signal temporel est échantillonné à 500 MHz sur une durée de 5 µs ce qui donne une trace de 2500 points ;

– un récepteur GPS pour dater les évènements à 10 ns près (celui utilisé pour les cuves Auger), – deux panneaux solaires et de batteries ;

– un système d’acquisition développé pour les cuves Auger qui gère le flux de données acquises et qui transmet les données par le système wifi au RDAS (Radio Data Acquisition System) situé à 900 m à l’est des stations, au CLF.

L’ensemble de la chaîne d’acquisition est présentée Fig.2.30. Les évènements radio sont enregistrés en pleine bande sur deux voies indépendantes (polarisation E-O et N-S) entre 100 kHz et 100 MHz. Pour réaliser le trigger, la voie E-O est séparée en deux (splitter). Une partie du signal est envoyée vers l’os- cilloscope pour acquisition, l’autre vers une carte trigger après passage dans un filtre passe-bande 50-70 MHz. La voie N-S est quant à elle directement envoyée à la seconde voie de l’oscilloscope. Lorsque le si- gnal E-O filtré 50-70 MHz est supérieur (comparateur analogique) à un certain seuil fixé par l’utilisateur,

2.4. DÉTECTION RADIO AUTONOME : RAUGER 93

FIGURE2.30 –Principe de la chaîne d’ac- quisition d’une station RAuger [146].

un ordre de déclenchement est envoyé à l’oscilloscope, au GPS ainsi qu’au système d’acquisition de manière à traiter l’évènement détecté. La procédure de traitement de la trace temporelle par le système d’acquisition, de la lecture de l’oscilloscope à la transmission des données au RDAS par wifi, inflige un temps mort de la station de 2.7 secondes ce qui fixe le taux maximum d’évènements enregistrables, par unité de temps à 0.37/s.

Pour la première phase de RAuger, aucun trigger de niveau supérieur n’est appliqué, le faible nombre de sta- tions du réseau (3) permet de stocker tous les évène- ments enregistrés en attendant l’analyse ultérieure. La recherche de coïncidences entre les trois stations et les cuves Auger, ne se réalise pas en temps réel mais lors de l’analyse postérieure (en offline). Cette stratégie qui se révèlerait très lourde avec un grand réseau d’antennes, est très utile pour analyser le comportement des stations

en fonction de leur environnement. Le seuil de déclenchement ajustable "à la main" sur cette première version doit être fixé en tenant compte du taux de déclenchements maximum (ou saturation) de 0.37 évè- nement par seconde ainsi que du bruit ambiant, source de parasites susceptibles de déclencher la station également. Un seuil trop haut, peut rendre la station aveugle aux gerbes cosmiques, alors qu’un seuil trop bas peut générer une saturation du taux de déclenchement rendant là aussi la station aveugle aux gerbes.

Les résultats : la pêche aux cosmiques

Entre décembre 2006, date de la mise en route du système, et mai 2010, date de son remplacement par les stations nouvelle génération, le réseau RAuger a compté environ 31 mois d’observation effective (où au moins une station sur les trois est en fonctionnement). Malgré les fortes variations du taux de trigger notées durant cette période (nous le verrons un peu plus tard), 65 évènements ont pu être mis en coïncidence entre les stations radio et les détecteurs de surface Auger (SD). Une coïncidence est définie ici comme un évènement enregistré avec au moins une des trois stations radio et dont l’instant de déclenchement de chaque station se situe dans une fenêtre temporelle de moins de 1µs autour de l’instant de déclenchement d’un évènement SD calculé à la position de la cuve Apolinario. Si cela est vérifié, le temps de trigger doit de plus être compatible avec la géométrie de l’évènement en comparant

FIGURE2.31 –Gauche : distribution des intervalles temporels entre deux évènements radio consécutifs. Droite : Corrélation entre la différence temporelle tApolinario−tradiomesurée et la valeur attendue, calculée

en considérant simplement la géométrie de la gerbe (obtenue par le réseau SD) et les positions des détecteurs.

FIGURE2.32 –Gauche : distribution en énergie des évènements détectés par le réseau radio et le réseau SD. En rouge : par les stations radio en coïncidence avec le réseau SD (l’estimation de l’énergie des gerbes est réalisée via le réseau SD) ; en noir : par le réseau SD. Droite : distribution des distances entre l’axe des évènements en coïncidence et la cuve Apolinario au centre du réseau des trois antennes.

la différence temporelle tmesuré

SD − tradiomesuréavec :

−u(xSD− xradio) + v(ySD− yradio)

c (2.13)

ou (u,v) = (sincosφ,sinsinφ) est la direction de la gerbe projetée au sol, θ étant l’angle zénithal et φ l’angle azimutal. La convention Auger fixe φ = 0˚ et~exà l’est et φ = 90˚ et~eyau nord. (xApolinario, yApolinario)

et (xradio, yradio) sont les positions des détecteurs. Le taux de déclenchement relativement faible des sta-

tions autonomes garantit que le nombre de coïncidences fortuites est négligeable. Pour estimer ce taux de coïncidences fortuites, basons-nous sur la statistique de Auger SD : 1.4 évènements enregistrés par jour, dont l’axe est à moins d’1 km de la cuve Apolinario et plaçons-nous dans le cas le moins favorable, c’est-à-dire celui d’un taux de déclenchement maximum (saturation) pour les stations radio : 0.37 évène- ment/s. Dans ce cas de figure, le nombre attendu d’évènements fortuits dans une fenêtre de 20 µs autour d’un évènement SD est de 0.016 en intégrant sur les 31 mois d’observation effective RAuger.

Sur ces 65 coïncidences, 58 ont été observées par une seule antenne, 6 par deux antennes et une par les trois (nous verrons plus tard que des pannes ont sérieusement réduit le temps d’observation de A2 et A3, expliquant le faible nombre de coïncidences doubles et triples). L’histogramme des différences temporelles entre deux évènements consécutifs présenté Fig.2.31 à gauche, permet d’estimer le temps moyen entre deux coïncidences. L’ajustement de la pente donne une constante de temps de 11.8 ± 0.2 jours. La Fig.2.31 à droite montre la corrélation entre la différence temporelle tApolinario− tradiomesurée

pour chaque évènement et la valeur attendue, calculée en considérant la géométrie de la gerbe (obte- nue par le réseau SD) et les positions des détecteurs. Cette corrélation de pente 1, permet de rejeter d’éventuelles sources radio parasites qui pourraient polluer les antennes au moment où un évènement est enregistré par les détecteurs SD.

Distribution en énergie, distribution en distance à l’axe et directions d’arrivée

La distribution en énergie des 65 évènements détectés par les stations (l’estimation de l’énergie des gerbes est réalisée via le réseau SD) et la distribution en énergie des évènements détectés par le réseau SD sont en bon accord (voir Fig.2.32). Ce résultat montre que le détecteur radio ne souffre pas d’un biais expérimental par rapport aux évènements détectés par le réseau SD. Un des éléments qui joue un rôle déterminant sur l’avenir de la détection radio est la capacité à détecter des évènements à longue distance. Avec les 65 évènements observés par RAuger, la distribution des distances entre l’axe des évènements

2.4. DÉTECTION RADIO AUTONOME : RAUGER 95

FIGURE2.33 –Densité des cœurs au sol SD (sans tenir compte d’Apolinario). Les points noirs représentent les positions des évènements en coïncidence.

FIGURE2.34 –Gauche : carte de densité des directions d’arrivée des 65 coïncidences, normalisée de sorte que la densité soit égale à 1 dans la direction du maximum. Droite : carte du ciel attendue selon le mécanisme de Lorentz adapté au site Auger (voir texte pour plus de détails).

détectés et la cuve Apolinario au centre du réseau des trois antennes est représentée Fig.2.32. 91% des évènements radio ont été détectés lorsque l’axe de la gerbe était à moins de 400 m de la station et deux gerbes ont été vues à plus de 900 m, ce qui laisse entrevoir que des gerbes atmosphériques peuvent être détectées à des distances de l’ordre du kilomètre. La Fig.2.33 montre la carte de densité des cœurs au sol des évènements détectés par le réseau SD Auger autour de la cuve Apolinario (sans prendre en compte Apolinario qui ne fait pas partie du pas régulier Auger). Les évènements SD détectés par les stations radio en coïncidence sont représentés par des points noirs. Même si la statistique est faible, les coïncidences suivent clairement la carte de densité SD, il semble donc que là non plus, la radio ne soit pas biaisée par un quelconque effet.

La distribution des directions d’arrivée des 65 évènements détectés en coïncidence est représentée Fig.2.34. Pour analyser cette figure il est important de rappeler que les stations autonomes RAuger pre- mière génération sont déclenchées sur la voie E-O. On remarque encore une fois (en référence avec les résultats CODALEMA) une forte asymétrie N-S avec cette fois, un excès au sud. L’expérience Au-

FIGURE2.35 –Distribution zénithale et azimutale des 65 coïncidences. Lignes rouges : distribution zénithale et azimutale moyennées sur 10000 lots de 65 directions d’arrivée, tirées aléatoirement suivant la densité de probabilité prédite par la Fig.2.34 à droite. Lignes pointillées : écart à ±1σ de la prédiction.

ger se trouvant dans l’hémisphère sud, le champ magnétique terrestre est orienté différemment, il est orienté plein nord avec un angle zénithal de 58˚(son orientation est représentée par un point orange sur la Fig.2.34). L’intensité du mécanisme radio lié au champ géomagnétique en fonction de la direction d’arri- vée des gerbes, discuté plus haut, aura donc des caractéristiques différentes. La Fig.2.34 à droite présente la composante E-O de la quantité n ∧ B multipliée par une distribution isotrope des rayons cosmiques (dN/dθ = sinθcosθ). L’accord avec la Fig.2.34 à gauche est satidfaisant et confirme la dominance d’un mécanisme radio lié au champ magnétique terrestre, déjà observée avec l’expérience CODALEMA. Les figures présentées Fig.2.35 comparent les distributions zénithales et azimutales des 65 évènements radio avec celles de la moyenne de 10000 lots de 65 directions d’arrivée, tirées aléatoirement suivant la densité de probabilité prédite par la Fig.2.34 à droite (les courbes rouges ne sont pas des ajustements). Là aussi l’accord est particulièrement bon, les formes caractéristiques sont bien reproduites.

L’évènement triple

Le 30 novembre 2009, le premier évènement triple antennes en coïncidence avec 5 cuves SD (in- cluant Apolinario) a été détecté. L’intérêt d’un tel évènement est évidemment la possibilité de le re- construire indépendamment du détecteur de particules et de pouvoir comparer les résultats obtenus. En utilisant la reconstruction standard Auger SD, l’énergie de la gerbe est estimée à 1.4 ± 0.2 EeV avec une direction d’arrivée donnée par θ = 51.0 ± 0.5˚et φ = -150.4 ± 0.4˚. L’axe de la gerbe est situé à 164 ± 25 m, 93 ± 18 m et 188 ± 18 m de A1, A2 et A3 respectivement.

L’estimation de la direction d’arrivée par triangulation des trois stations radio donne un résultat en très bon accord : θ = 51.3 ± 0.2˚et φ = -150.2 ± 0.1˚, ce qui fait une différence angulaire de 0.4˚. Les pulses observés dans les deux polarisations (E-O et N-S) sont présentés Fig.2.36 pour les trois antennes. Ces pulses correspondent au signaux radio filtrés dans la bande 16-150 MHz (pour s’affranchir des émet- teurs parasites), puis déconvolués de la fonction de transfert complète de l’antenne (résultat préliminaire [147]), ce qui permet d’obtenir la tension reçue aux bornes de chaque antenne. Le pulse très bref (sa largeur temporelle inférieure à 10 ns) est clairement visible sur toutes les traces de la Fig.2.36. Avec les amplitudes des signaux, il est possible de réaliser un ajustement du profil latéral du signal radio mesuré en polarisation E-O en fonction de d, la distance à l’axe de chaque antenne. L’ajustement de la fonction EE−O_{(d) = E}E−O

0 exp(−d/d0) sur le profil latéral donne E0E−O= 3.0 ± 0.3 mV et d0= 280 ± 50 m dans

la bande 23-83 MHz, filtrée numériquement. L’application d’un filtre numérique 23-83 MHz permet d’utiliser la paramétrisation de la corrélation entre l’énergie ECIC de la gerbe et le champ électrique sur

l’axe E₀E−O, obtenue par CODALEMA dans cette même bande de fréquence [142]. Cette paramétrisation est donnée par :

E₀E−O= B 47µT× 10

−19±0.9_{× |(n ∧ B)}

2.4. DÉTECTION RADIO AUTONOME : RAUGER 97

FIGURE2.36 –Traces temporelles de la triple coïncidence observée par le mini-réseau RAuger composé de trois stations. Ces signaux correspondent aux bandes filtrés 16-150 MHz déconvoluées de la fonction de transfert complète de l’antenne (résultat préliminaire [147]).

où B/47µT est l’intensité du champ géomagnétique de Malargüe (24.5 µT), normalisée à la valeur de Nançay (CODALEMA). En utilisant la valeur de E₀E−O= 3.0 µV.m−1, obtenue en ajustant le profil radio latéral de la triple coïncidence, on obtient une valeur d’énergie de la gerbe estimée par la radio de 2.8 EeV, deux fois plus grande que celle estimée par le réseau SD. On ne peut évidement pas tirer de conclusion sur cet évènement unique, mais il est intéressant de voir qu’en utilisant une calibration faite sur un réseau indépendant situé dans l’hémisphère nord (CODALEMA), on obtient une estimation de l’énergie du primaire qui est compatible avec le réseau SD Auger. Ce résultat est vraiment encourageant pour l’avenir car c’est un élément favorable à la confiance que l’on peut accorder à la détection radio autonome.