Le lancement du projet GRAMS pour de nouvelles recherches en haute altitude

L'expérience GRAMS, qui signifie Gamma-Ray and AntiMatter Survey, a pour but d'étudier les Rayons cosmiques et de chercher de la matière noire. Elle utilise un dispositif spécial appelé une chambre de projection temporelle en argon liquide (LArTPC) pour capturer et analyser des gamma-rays et des particules cosmiques.

Cette expérience est une nouvelle approche parce que les LArTPC n'avaient généralement été utilisées que sur Terre dans des expériences de physique des particules et jamais à des altitudes élevées. Le premier vol d'ingénierie de cette technologie a été réalisé le 27 juillet 2023 pour tester son fonctionnement dans la stratosphère et collecter des données.

#Qu'est-ce qu'un LArTPC ?

Un LArTPC est un type de détecteur de particules qui utilise de l'argon liquide pour identifier et mesurer les particules entrantes. L'argon liquide est un milieu très efficace car il est dense et peut produire de la lumière et des signaux électriques lorsque des particules le traversent. La chambre peut suivre le chemin des particules chargées et détecter les gamma-rays grâce à leurs interactions avec le liquide.

Pour fonctionner efficacement, les LArTPC requièrent de l'argon liquide très pur. Tout contaminant peut interférer avec le processus de détection. Ainsi, un système spécial doit être en place pour s'assurer que l'argon reste pur pendant le vol.

#Le Vol d'Ingénierie

Le vol d'ingénierie a eu lieu depuis le champ de recherche aéronautique de Taiki à Hokkaido, au Japon. Le vol a duré 3 heures et 12 minutes, atteignant une altitude maximale de 28,9 km. L'équipe a pu faire fonctionner en toute sécurité le LArTPC pendant ce temps et collecter des données précieuses, incluant environ 0,5 million d'événements liés aux rayons cosmiques.

La récupération réussie de la gondole après l'atterrissage en mer a indiqué que l'opération était un succès. Ce vol a constitué une étape importante pour démontrer que les LArTPC peuvent fonctionner dans des conditions d'altitude élevée.

#Comprendre l'Astronomie des Gamma-Rays MeV

L'astronomie des gamma-rays MeV implique l'observation des gamma-rays dans la plage d'énergie MeV, qui n'a pas encore été beaucoup explorée. Comprendre cette plage est essentiel pour en apprendre davantage sur divers phénomènes astronomiques, y compris les origines des éléments lourds et l'accélération des rayons cosmiques.

Les gamma-rays MeV sont produits par des réactions spéciales comme la diffusion Compton, où les gamma-rays interagissent avec la matière. Les détecteurs traditionnels ont du mal à mesurer efficacement dans cette plage d'énergie, ce qui rend le projet GRAMS significatif, car il vise à améliorer la sensibilité et les capacités de détection.

#Les Antiparticules des Rayons Cosmiques

Les rayons cosmiques comprennent diverses particules qui voyagent dans l'espace et atteignent parfois la Terre. Certaines d'entre elles sont des antiparticules, comme les positrons et les antiprotons. Les scientifiques ont pu mesurer les flux d'antiprotons, ce qui les aide à en apprendre davantage sur les rayons cosmiques.

Il reste encore des questions ouvertes, notamment sur le potentiel excès d'antiprotons dans certaines plages d'énergie. Cela pourrait être lié aux interactions de la matière noire. Cependant, les scientifiques n'ont pas encore observé d'autres antiparticules des rayons cosmiques, comme les antideutérons. La recherche de ces particules est cruciale car elles pourraient fournir des preuves supplémentaires sur la matière noire.

#Les Objectifs de l'Expérience GRAMS

Les objectifs principaux de l'expérience GRAMS incluent :

1. Fonctionnement du LArTPC comme Camera Compton : L'équipe vise à utiliser le LArTPC pour capturer et analyser efficacement les gamma-rays.

2. Étude des Antiparticules : Comprendre comment les antiparticules interagissent avec l'argon liquide est vital pour améliorer la détection des particules.

3. Opération en Haute Altitude : Établir que les LArTPC peuvent fonctionner efficacement à des altitudes de ballon est crucial pour les futures missions.

Le vol d'ingénierie a marqué un jalon important dans l'atteinte de ces objectifs.

#Aperçu de la Campagne de Vol B23-06

Depuis 2009, l'organisation aérospatiale japonaise JAXA a mené des vols scientifiques en ballon. Le vol d'ingénierie de GRAMS a été proposé en septembre 2022 et a reçu une approbation en avril 2023 dans le cadre de la campagne de vol B23-06.

Les ballons lancés depuis le champ de recherche aéronautique de Taiki utilisent des courants de vent saisonniers, permettant des durées de vol plus longues et une récupération plus facile. Ce dispositif a été essentiel au succès du vol d'ingénierie de GRAMS.

#Le Système de Ballon

Le système de vol complet se composait d'un ballon, d'un parachute et d'une gondole. La gondole abritait le LArTPC ainsi que d'autres équipements essentiels. Un système de lestage aidait à contrôler le poids et l'altitude de la gondole, tandis qu'un équipement de télémétrie permettait la communication avec les stations au sol.

Le système de lancement a été conçu pour résister à des impacts horizontaux et verticaux pendant le vol. Une attention particulière a été portée à la conception pour garantir une opération sûre et sans heurts.

#Système de Gestion de l'Argon

Pour gérer l'argon liquide, l'équipe GRAMS a développé un système de manipulation sophistiqué. L'argon était maintenu dans un réservoir isolé sous vide pour éviter la contamination et maintenir les niveaux de pureté nécessaires.

Avant le lancement, le réservoir a été soigneusement évacué pour éliminer les impuretés. Tout au long du vol, une surveillance attentive a permis de s'assurer que l'argon restait sous forme liquide, permettant au détecteur de fonctionner correctement.

#Le Système de Détection

Le LArTPC utilisé dans l'expérience GRAMS se composait de plusieurs composants clés, y compris une anode et une cathode fabriquées à partir de circuits imprimés. Lorsque des particules chargées traversent le LAr, elles créent de la lumière de scintillation et des électrons d'ionisation.

Ces signaux étaient amplifiés et enregistrés pour analyser les particules entrantes. La configuration visait à atteindre une résolution spatiale élevée et une sensibilité énergétique, qui sont cruciales pour détecter avec précision les rayons cosmiques et les gamma-rays.

#Acquisition de Données et Télémétrie

Pour collecter des données pendant le vol, l'équipe a utilisé un système Raspberry Pi ainsi que d'autres électroniques. Ces dispositifs surveillaient divers paramètres comme la température et la pression tout en enregistrant les signaux du LArTPC.

Une communication efficace entre le ballon et l'équipe au sol était vitale, permettant une surveillance en temps réel des conditions et la collecte de données.

#Résumé du Vol : 27 Juillet 2023

Le vol a été lancé à 3h55, avec des systèmes embarqués fonctionnant comme prévu. Après avoir atteint une altitude de 28,9 km, la gondole a effectué un vol à plat pendant environ 44 minutes avant d'atterrir en toute sécurité dans la mer.

Tout au long du vol, les données ont été collectées et le LArTPC a fonctionné avec succès. L'équipe surveillait plusieurs paramètres environnementaux, s'assurant que les conditions restaient stables pour une performance optimale.

#Analyse des Données du Vol

Durant le vol, environ 0,5 million d'événements ont été collectés, incluant des données provenant des interactions des rayons cosmiques et des événements gamma-rays. Les données ont montré des signes de maintien de pureté, indiquant que le système LAr fonctionnait comme prévu.

L'analyse impliquait de comparer les données collectées avec des simulations pour vérifier les résultats. Les conclusions ont démontré une relation claire entre l'altitude et les taux d'événements, en accord avec les prédictions basées sur le comportement connu des rayons cosmiques.

#Perspectives Futures de l'Expérience GRAMS

Pour l'avenir, l'équipe GRAMS prévoit de réaliser une série de tests pour faire avancer leurs recherches. Un test notable est programmé pour l'hiver 2024 sur une ligne de faisceau spécifique, axé sur la compréhension du comportement des antiparticules dans l'argon liquide.

De plus, un vol futur est en cours de planification en collaboration avec la NASA, prévu entre 2025 et 2026 en Arizona. Les objectifs à long terme incluent l'optimisation du design pour des missions en ballon prolongées en Antarctique en utilisant le LArTPC de grande taille.

#Conclusion

L'expérience GRAMS représente une avancée significative dans la recherche sur les rayons cosmiques et la matière noire. Le vol d'ingénierie réussi a démontré la faisabilité d'utiliser la technologie LArTPC à haute altitude, et les données collectées serviront de fondation pour de futures études.

Avec un soutien et des avancées continues, GRAMS est en bonne position pour apporter des insights précieux sur la nature de la matière noire et le comportement des rayons cosmiques. Le travail en cours promet d'améliorer notre compréhension de l'univers et des particules fondamentales qui le composent.