EMN - École des Mines de Nantes

Une nouvelle fenêtre d’observation en Astroparticules: l’expérience de radiodétection CODALEMA

L'existence de rayons cosmiques ayant des énergies de l'ordre du Joule (~ 1019 eV) est l'une des observations la plus intrigant de l’Astrophysique. Que sont ces particules ? D'où viennent-elles ? Y a t’il une limite à leur énergie ? Ces rayons cosmiques interagissent parfois avec l'atmosphère terrestre et créent de très grandes gerbes de particules secondaires. Pour les étudier, et compte tenu des flux très faibles à ces énergies extrêmes (1 particule/siècle/km2 ), la communauté scientifique mondiale a construit d’immenses infrastructures de détecteurs de particules (~3000 km2 pour l’Observatoire Pierre AUGER en Argentine). Les résultats récents de cette expérience ont peut-être ouvert une nouvelle fenêtre - celle de l’astronomie des énergies ultimes – car les directions d’arrivées de ces rayons d’ultra haute énergie seraient corrélés aux positions des noyaux actifs de galaxies dans le ciel. Néanmoins, les preuves définitives ne seront établies qu’en disposant de davantage de données et de meilleures performances de détection.
En 2002, SUBATECH a proposé d’étudier une méthode alternative de détection de ce rayonnement: c’est l’expérience de démonstration de radiodétection CODALEMA (http://codalema.in2p3.fr), installée sur le site de l’observatoire de Nançay. Elle utilise quelques dizaines d’antennes pour mesurer les impulsions électromagnétiques (durée : 10-9s, puissance : 10-20W) associées au développement de ces gerbes de particules dans l’atmosphère. Cette méthode avait été proposée dans les années 60, puis abandonnée en raisons de difficultés techniques et d’interprétation. Elle est néanmoins restée d’un grand intérêt : le signal radioélectrique, qui se propage dans l’atmosphère sans altération, est liée à l’énergie du cosmique et un réseau d'antennes déployé sur un vaste territoire est moins coûteux qu’un réseau de détecteur de particules.

Basé sur une nouvelle approche de détection des signaux radios émis par les gerbes atmoshpériques créées par les RCUHE, l’expérience CODALEMA est située sur le site du Radio Observatoire de Nançay (Observatoire de Paris) en France. Ce site offre un très bon environnement électromagnétique pour l’observation des signaux transitoires dans une large bande radio (1-200 MHz). L’étude fine du bruit radio et des possibilités de filtrage numérique a permis de développer une procédure d’identification de ces signaux rendant le dispositif sensible à des amplitudes aussi petites que 1 microV/m/MHz. Cette sensibilité, qui n’est pas affectée par les fluctuations du nombre de particules comme peuvent l’être les détecteurs de particules, permet l’analyse détaillée des amplitudes du champ électrique et de ses dépendances avec l’énergie et la nature du rayon cosmique incident. Un autre point important est que des signaux radios ont pu être détectés pour certains événements à plus de 600 m de l’impact de la gerbe au sol rendant possible, pour la première fois, l’étude du profil de champ radio électrique associé aux gerbes atmosphérique événement par événement. Ces observations inédites sont directement reliées au développement longitudinal de la gerbe et donc à la nature et à l’énergie du rayon cosmique incident. De plus, les analyses ont établi que les signaux transitoires observés par chacune des antennes permettaient de déterminer la direction d’arrivée des rayons cosmique (avec une précision inférieure au degré).
Dabord proposé par Askar’yan dans les années soixantes, la radiodétection a rapidement été abandonnée en raison des performances de l’électronique disponible à cette époque, qui malheureusement rendaient les mesures peu fiables. Nos résultats récents démontrent clairement l’intérêt de reprendre complètement l’étude de cette méthode de détection. Les résultats de CODALEMA indiquent que cette technique pourrait être tout à fait complémentaire d’autres expériences utilisant de grands réseaux de détecteurs de particules au sol, tel l’Observatoire Pierre Auger.

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La première phase d’évaluation de CODALEMA (2001-2005) a indiqué que nombres des handicaps liés à cette méthode de détection pouvaient être surmontés. Ces résultats ont motivé le soutien d’une ANR en 2006-2008 pour augmenter la surface du démonstrateur (600mx600m) et le compléter par un réseau de détecteurs au sol de particules (17 détecteurs) avec l’objectif de déduire l’ensemble des performances de cette méthode de détection. S’appuyant sur une nouvelle moisson de résultats et le soutient de la région Pays de la Loire pour 2009-2010, CODALEMA s’apprête maintenant à déployer un nouveau dispositif encore plus performant, constitué d’une centaine d’antennes autonomes réparties sur une surface de quelques km2 et imaginé à partir d’une nouvelle technologie de capteurs. La phase de conception a débuté en 2007 ; celle de production a débuté en 2008 ; le déploiement s’échelonnera sur 2009-2010 dans le but de finaliser cette méthode de détection inédite à une échelle compatible avec celle des grands projets où elle pourrait être exploitée.

prospectives internationales