Les rayons cosmiques vus par les
grands
détecteurs
Les grands détecteurs construits dans les laboratoires disposant d'accélérateurs peuvent également servir en parallèle pour des études sur les rayons cosmiques. Les signaux obtenus dans des détecteurs largement séparés pourraient être corrélés pour élargir encore le panorama que révèlent les particules venues du cosmos.
A l'époque où le CERN voyait le jour, au début des années 50, une révolu- tion était en cours dans la recherche en physique des particules.
Jusqu'alors les rayons cosmiques avaient permis la plupart d e s d é c o u - vertes fondamentales sur le sujet. Les accélérateurs ont fourni leurs pre- mières contributions à Berkeley en 1949, tandis que Chicago et Carnegie grâce à leurs synchrocyclotrons, étaient sur les talons du laboratoire cali- fornien. En 1953, le Cosmotron, ainsi n o m m é parce qu'il s'agissait du pre- mier accélérateur atteignant les énergies des rayons cosmiques, est entré en exploitation à Brookhaven, offrant aux physiciens les premières parti- cules étranges créées en laboratoire.
A la conférence de Bagnères-de-Bigorre en 1953, l'éminent cosmicien Cecil Powell, le lauréat du prix Nobel 1950 pour sa découverte du pion en 1947, affirmait: "Nous s o m m e s envahis, les accélérateurs sont l à ! "
Bien qu'un grand nombre des physiciens de la première génération au CERN aient fait leurs premières armes sur les rayons cosmiques, pendant plus de quarante ans le Laboratoire s'est occupé de construire et d'exploi- ter ses grands accélérateurs, reléguant la physique des rayons cosmiques au second rang. Mais c o m m e les particules cosmiques dépassent 1 02 0 eV - des milliers de fois plus que les énergies les plus élevées actuellement disponibles dans les accélérateurs - les physiciens des particules redé- couvrent l'intérêt des sources naturelles de particules de haute énergie.
Simulation des gerbes atmosphériques produites par un noyau de fer (à droite), un proton (au centre) et un photon (à gauche) cosmiques de 100 TeV. Le rouge indique des particules
électromagnétiques dépassant 10 GeV, le vert des muons de plus de 10 GeV et le noir des hadrons dépassant 10 GeV.
Cependant, bien que la nature offre des énergies surpassant largement celles des collisionneurs de particules de la prochaine génération, la fré- quence de ces événements est minuscule par comparaison.
Regain d'intérêt pour les rayons cosmiques
Deux raisons principales expliquent le regain d'intérêt actuel pour les rayons cosmiques. D'abord, les résultats spectaculaires de l'expérience souterraine SuperKamiokande au Japon concernant les neutrinos produits par collision des rayons cosmiques dans l'atmosphère suggèrent fortement que les neutrinos des différents types échangent leurs identités - ils "oscil- lent". Pour exploiter au mieux le potentiel des neutrinos il faut connaître avec précision le spectre des muons cosmiques. Les résultats disponibles présentent une dispersion de 20 à 30%, de meilleures données sont donc nécessaires.
Ensuite, bien que la mesure directe des rayons cosmiques primaires d'énergie supérieure à 1 01 4e V ( 1 0 0 T e V ) soit irréaliste - au dessus de 1 01 6e V , par exemple, on ne compte plus qu'une particule par mètre carré par stéradian par an - le spectre s'étend au-delà de 1 02 0 eV et la composi- tion, la forme du spectre et les interactions des rayons cosmiques primaires avec les noyaux des couches supérieures de l'atmosphère présentent un grand intérêt. La connaissance de la composition du flux primaire au-des- sus du "genou" (autour de 4 x 1 01 5 eV) pourrait éclairer la question de l'ac- célération des particules jusqu'à des énergies aussi élevées.
une station pour gerbes de l'air installée en surface au-dessus de L3 qui permettra d'observer les m u o n s énergétiques en même temps que les gerbes associées. J Strom ( A r c a d a ) , A Bruhl (Siegen) et M Schmelling (Institut Max-Planck) ont fait le point sur le programme rayons cosmiques d'ALEPH. L'analyse de plus de 300 000 événements de muons cosmiques donne un bon accord avec les simulations de Monte-Carlo de KASCADE pour les événements à muons multiples observés dans la chambre à pro- jection de 16 m2 dans le cas des multiplicités (nombre total de particules produites) comprises entre 2 et 40. Cependant cinq événements présen- tent des multiplicités considérables et surprenantes - jusqu' à 150 muons (et dans certains cas d'autres muons encore sont observés dans le calori- mètre hadronique).
D'autres études du groupe ALEPH examinent la courbe de " d é c o h e - rence", c'est-à-dire l'évolution du taux de coïncidences entre deux détec- teurs de muons en fonction de leur séparation et cela jusqu'à plus de 1 km.
Horst Wachsmuth (CERN) avait proposé d'examiner les coïncidences de muons entre les quatre détecteurs du LER un phénomène qui ne devrait pas se produire dans une interaction "ordinaire" des rayons cosmiques dans les couches supérieures de l'atmosphère terrestre. Une telle coïnci- dence, dont certaines expériences antérieures de rayons cosmiques sug- gèrent la possibilité, demanderait certainement à être expliquée.
D'autres grands groupes de physique des particules sont également inté- ressés. A De Roeck (DESY) a débattu de la possibilité d'utiliser les grands détecteurs H l e t Z E U S au collisionneur électron-proton HERA de DESY pour étudier les coïncidences de muons cosmiques. Ces détecteurs n'étant que trois mètres sous terre, ils permettraient d'étudier les muons cos- miques au-dessus de seulement 2 ou 3 GeV, ce qui est d'un grand intérêt pour les groupes travaillant sur les neutrinos du muon atmosphériques.
En utilisant les données de temps du satellite GPS il est possible d'exa- miner les corrélations temporelles entre les muons cosmiques à DESY et au CERN.
E t u d e s f u t u r e s
M Vallinkoski (Oulu) a décrit une éventuelle expérience nouvelle sur les muons cosmiques dans une mine à Phyhasalmi, Finlande. Le Centre de physique souterraine à Phyhasalmi installerait à plusieurs profondeurs un ensemble de sept détecteurs verticalement alignés pour étudier la multi- plicité, la distribution latérale et le spectre d'énergie des muons cosmiques.
On a remarqué que des grands détecteurs pourraient être sensibles à des sources ponctuelles de muons cosmiques et qu'en utilisant la Lune comme un absorbeur gratuit et efficace et le champ magnétique terrestre comme spectromètre, on pourrait le cas échéant obtenir une limite sur le flux relatif de noyaux d'antimatière primaire de haute énergie.
Le groupe IPHE chinois est particulièrement intéressé dans la recherche de preuves concernant des mauviettes (particules massives interagisse- ment faiblement ou WIMPS) associées à des rayons cosmiques dans L3.
L'organisateur de l'atelier, Karsten Eggert, a discuté d'autres domaines possibles d'étude, y compris avec des détecteurs plus grands et améliorés.
Comme l'a remarqué Lawrence Jones (Michigan) dans sa discussion d'ou- verture, les études des muons à l'aide des détecteurs du LEP possèdent les deux éléments d'un programme idéal d'expérimentation: des résultats pra- tiques et utiles, c o m m e le spectre inclusif absolu de muons, et la sensibi- lité nécessaire pour d'éventuelles découvertes passionnantes que pourraient être des multiplicités inattendues des muons, des sources ponc- tuelles de rayons cosmiques, des mauviettes ou encore des coïncidences significatives d'un point de vue statistique. Paolo Liperi de Rome a résumé
les points forts du nouveau programme proposé. •
30 C o u r r i e r C E R N Octobre 1999
A partir de l'observation au sol des différentes particules (dans les grandes gerbes de l'air) et des émissions atmosphériques de scintillation et de lumière Chérenkov, les cosmiciens ont beaucoup appris, mais de nom- breux mystères et incertitudes demeurent. Même avec de bonnes données, il est difficile de déterminer à la fois de façon unique la composition pri- maire et un modèle d'interaction.
L'acquisition de données à l'aide des grands détecteurs disponibles auprès des accélérateurs constituerait une précieuse contribution. Au prix d'un investissement relativement modeste, on peut exploiter ces détec- teurs pour la physique des rayons cosmiques en parallèle avec leur rôle principal et sans qu'ils y perdent de leur efficacité.
Au collisionneur LEP du CERN, un sous-groupe de la collaboration L3 a formé le groupe "L3 + Cosmiques" en installant une électronique nouvelle pour permettre la lecture des chambres à dérive du spectromètre à muons indépendamment de l'acquisition des données LER ils ont également ins- tallé une couverture de quelque 200 m2 de scintillateurs au-dessus des trois octants supérieurs de l'aimant afin de disposer d'un signal de réfé- rence temporel pour l'acquisition des données sur les rayons cosmiques.
Comme la couverture rocheuse est de 30 mètres, le seuil pour les muons cosmiques atteignant L3 se situe vers 15 GeV.
Ailleurs sur l'anneau du LER des membres de la collaboration ALEPH réalisent une expérience pilote (CosmoALEPH) de recherche d'éventuelles coïncidences entre muons à longue distance. Ce groupe a examiné avec l'autre groupe récemment établi, CosmoLER les données recueillies sur les rayons cosmiques au cours des périodes d'expérimentation d'ALEPH.
Les archives des données ont mis en évidence un ensemble substantiel d'événements cosmiques. Bien que le détecteur ne soit disponible pour les particules cosmiques que 10% du temps, sur plusieurs années cela repré- sente plus d'un million de secondes (environ 12 jours). Les chercheurs ont analysé les multiplicités des muons, etc, à l'aide de programmes évolués de simulation des rayons cosmiques élaborés par le groupe de Karlsruhe.
Des événements étonnants, produisant des nombres incroyables de muons, les ont incité à proposer une étude plus approfondie de ces phé- nomènes.
A t e l i e r d ' a c t u a l i t é
Un atelier spécialisé s'est tenu du 24 au 29 avril à Sodankyla, une centaine de kilomètres au nord du cercle arctique en Finlande, il était organisé par Karsten Eggert du CERN, et il a mis en évidence le renouveau de l'intérêt pour les muons cosmiques.
Le groupe de Karlsruhe, grâce à sa mosaïque de détecteurs KASCADE, possède l'ensemble de données peut-être le plus complet sur les gerbes de l'air en surface, on peut les interpréter en fonction du spectre des rayons cosmiques primaires et de leur composition.
CTaylor (Case Western Reserve) et R Engel (Bartol) ont examiné les inter- actions nucléaires des rayons cosmiques primaires, en insistant sur les incertitudes concernant la production de particules dans l'état final a très petit angle, prédominante pour les muons cosmiques o b s e r v é s au sol.
Bien que l'énergie du collisionneur Tévatron du Laboratoire Fermi cor- responde à des rayons cosmiques d'environ 2 x 101 5 eV interagissant avec des nucléons de l'air au repos, il n'existe pratiquement pas de données sur la production de particules vers l'avant aux énergies supérieures aux anciennes expériences avec cible fixe à quelques centaines de GeV.
Les groupes ALEPH et L3 ont analysé leurs données respectives sur les muons cosmiques. H Wilkens (Nimègue) a fait le point sur les additions apportées aux détecteurs et à l'électronique de L3 et sur le programme en cours sur les muons. S T o n w a r (Institut Tata) a décrit l'extension prévue,
L'expérience ALEPH devient
cosmique
Conçu pour étudier les collisions électron-positon artificielles dans l'anneau LEP du CERN, le
détecteur ALEPH convient idéalement pour observer les événements naturels complexes du rayonnement cosmique.
Muons multiples: l'un des curieux événements cosmiques observés par le détecteur ALPEH.
Les particules primaires du rayonnement cosmique de haute énergie frap- pant l'atmosphère une vingtaine de kilomètres au-dessus de nos têtes déclenchent de grandes gerbes de l'air contenant hadrons, électrons, muons et neutrinos. Avant d'atteindre A L E P H , 125 m sous terre, toutes ces particules sont absorbées, sauf les neutrinos et les muons de plus de 70 GeV.
ALEPH offre une trajectographie à résolution fine grâce à sa T P C (Chambre à projection) centrale placée dans un champ magnétique solé- noïdal et le grand calorimètre hadronique entourant cette TPC fournit des données complémentaires sur les muons cosmiques.
Les études de précision de ces muons, et en particulier des bouquets de
Une période spéciale 'cosmique'd'une semaine, a révélé cinq événements
présentant la densité de muons la plus élevée jamais observée.
muons, fournissent des d o n n é e s essentielles sur les rayons cos- miques primaires et sur la produc- tion de particules dans les gerbes à très petit angle. La connaissance de la composition du rayonnement cosmique primaire autour du
"genou" de son spectre d'énergie ( 4 x l 01 5e V ) est fondamentale pour comprendre les phénomènes cosmiques d'accélération qui pro- pulsent ces particules à de telles énergies.
L'analyse des événements à muons cosmiques, captés dans ALEPH en parallèle avec la saisie des données LEP au cours d'une période spéciale
"cosmique" d'une semaine, a révélé cinq événements présentant la densité de muons la plus élevée jamais o b s e r v é e : une centaine de muons ont frappé la surface sensible (16 m2) de la TPC d'ALEPH. Le plus serré de ces bouquets comptait 160 muons dans une seule moitié de la TPC, l'autre moitié étant submergée par un excès de données.
Des simulations très fouillées à l'aide du programme Corsika, élaboré par le groupe de Karlsruhe, permettent de reproduire les multiplicités de muons ordinaires, en supposant une composition classique des particules cos- miques primaires allant des protons jusqu'aux noyaux du groupe du fer.
Cependant les cinq événements les plus spectaculaires représentent une fréquence d'un ordre de grandeur supérieure aux simulations. Ils pourraient être dus à des gerbes de l'air inhabituellement grandes, dépassant 101 7 eV, ou à des fluctuations de gerbes de plus faible énergie, suggérant peut-être de nouveaux phénomènes pour la production aux petits angles.
La détermination de la charge et de l'impulsion des muons de ces évé- nements, ainsi que l'étude de leur structure sur de grandes surfaces, pour- raient éclairer la question de leur origine. Une période spéciale d'ALEPH consacrée aux cosmiques et utilisant le calorimètre hadronique de trajec- tographie a étendu la mesure des muons, ainsi réalisée sur 50 m2. Le plus grand des événements ainsi obtenus comptait plus de 100 muons.
Evénements de haute multiplicité
Pour étudier ces curieux événements, le groupe CosmoLEP propose de pla- cer une mosaïque de chambres à dérive de 200 m2 aux côtés de l'expé- rience A L E P H . Grâce à cette surface importante, la fréquence des événements de haute multiplicité serait plus que centuplée et la distribu- tion spatiale de ces muons donnerait un aperçu de l'énergie et de la c o m - position des particules cosmiques primaires. La taille accrue des échantillons pourrait également révéler des sources ponctuelles de parti- cules dans les profondeurs du cosmos.
Les gerbes muoniques souterraines observées à ce jour s'étendent au plus sur quelques centaines de mètres. Le dispositif de c o s m o A L E P H couvre le tonneau du calorimètre hadronique central du détecteur et compte plusieurs stations de scintillateurs disposées de part et d'autre d'ALEPH dans l'anneau LEP sur une distance totale de près de 1 km. Cette expérience pilote a permis d'observer des coïncidences de muons dans des compteurs écartés de plusieurs centaines de mètres, ce qui a donné l'idée de faire une recherche plus vaste sur les muons.
Les quatre expériences LER équidistantes autour du tunnel de 27 km, permettraient de rechercher des corrélations entre muons sur des dis- tances bien plus grandes. Cette m ê m e approche a été adoptée pour les détecteurs H l e t Z E U S au collisionneur HERA de DESY, Hambourg, lesquels
sont éloignés d'environ 2 km. •
Egalement intéressés par les rayons cosmiques, les expérimentateurs de L3 ont installé un écran de 200 mètres carrés de scintillateurs pour intercepter les rayons cosmiques traversant l'atmosphère.
Au collisionneur LEP du CERN, la collaboration L3 a installé une couverture de quelque 200 mètres carrés de scintillateurs au-dessus de l'aimant afin de disposer d'un signal de temps de référence pour l'acquisition des données sur les rayons cosmiques.
L3+C, une ramification de l'expérience L3 au collisionneur électron-positon LEP du CERN, est une expérience reconnue par le Laboratoire depuis avril 1998. Elle tire parti des possibilités sans pareilles du grand spectromètre à muons de L3 (seuil d'énergie plus bas que dans les autres détecteurs souterrains, résolution en impulsion inégalée sur une vaste g a m m e d'im- pulsion) pour mesurer avec précision les muons cosmiques pénétrant jus- qu'à 30 m sous terre.
De nouveaux systèmes de déclenchement, de lecture et d'acquisition des données ont été installés pour les m u o n s , ainsi qu'un damier de scintillateurs pour enregistrer le temps de passage des particules. La saisie des données est indépendante de l'exploitation de L3 au LEP et se
fait en parallèle.
On attend des résultats nouveaux sur divers sujets fondamentaux relatifs aux rayons cosmiques, à l'astrophysique et à la physique des particules:
spectre d'impulsion des muons cosmiques, distribution zénithale et rapport de charge sont en cours de mesure entre 10 et 2000 GeV; les chambres à dérive pour muons de L3 et le grand volume magnétique permettent de viser une précision de 1%.
Les résultats fourniront des données nouvelles sur la composition des rayons cosmiques primaires, le développement des gerbes dans l'atmo- sphère et les abondances de pions et de kaons à haute énergie. Ces don- nées aideront également à comprendre "l'énigme des neutrinos
32 C o u r r i e r C E R N Octobre 1999
L3+C = un nouvel outil pour
étudier les muons cosmiques
atmosphériques", c'est-à-dire l'anomalie dans le flux de neutrinos du muons observée dans les détecteurs de neutrinos souterrains et considérée c o m m e un élément de preuve des oscillations neutrinos. Ces mesures permettront en particulier de calculer le flux absolu de muons ascendants d'énergie supérieure à 10 GeV, qui en l'absence d'oscillations, traverse- raient les détecteurs souterrains SuperKamiokande et MACRO.
Le groupe L3+C a c o m m e n c é l'acquisition de ses données en 1998 et considérablement augmenté son acceptance au début de 1999, atteignant une
fréquence des événements de 550 Hz. Tout en offrant des données plus fiables, ces modifications élargissent la gamme des impulsions et la fenêtre angulaire mesurées.
Le détecteur pourrait faire apparaître des giclées provenant de sources de signaux ponctuelles, peut-être de sursauts de rayons g a m m a , et per- mettre l'analyse des muons associés. L'absence de muons ascendants de haute énergie (au-delà de quelques centaines de GeV) permettra de fixer une limite sur le flux de neutrinos des noyaux actifs de galaxies. La détection de familles de muons et la mesure de leurs impulsions apporteront des données d'un type nouveau qui permettront de mieux connaître la compo- sition des rayons cosmiques primaires dans la région du " g e n o u " (vers 101 5 eV). Dans le cas des événements exotiques observés par de nombreux expériences différentes, les spectres d'impulsion des particules devraient fournir des indices sur les processus mis en j e u .
eV/c+1.8%» 28-8 GeV/c±20.%
GeV/c±3.8%-^ <—4.5 GeV/c±7.3%
Une famille de quatre muons vue parL3+C.
Le détecteur captera également quelques muons ascendants (dus à des particules ayant traversé la Terre). Leurs variations temporelles pourraient révé- ler des effets météorologiques ou sidéraux. Le groupe L3+C compte également parmi ses objectifs de cor- réler ses événements avec les observations d'autres détecteurs.
L'observation de l'ombre muonique de la Lune pourrait donner une limite sur le flux d'antiprotons primaires autour de 1 TeV - le champ magnétique ter- restre agissant c o m m e un analyseur d'impulsion c o m m o d e et la Lune c o m m e un absorbeur de particules cosmiques.
Instrumentation indépendante
La collaboration se prépare à installer quelque 50 scintillateurs sous le pla- fond du hall d'accès à L3 (en surface). Cette station pour gerbes de l'air per- mettra de mieux estimer l'énergie primaire d'une partie des gerbes associées aux muons mesurés sous terre. Il s'agira d'une installation complètement indépendante et autonome. Les événements sont corrélés grâce à l'horloge du satellite GPS et à un signal du système d'acquisition des données.
L'expérience L3+C a déjà recueilli quelque 900 millions d'événements et on prévoit qu'elle fonctionnera jusqu'au terme de l'exploitation du LEP à la fin de l'année prochaine. Les premières d o n n é e s ont été présentées en août à la conférence internationale sur les rayons cosmiques de Sait
Lake City. •
