Des améliorations à l'Observatoire Pierre Auger boostent l'analyse des rayons cosmiques
La mise à niveau AugerPrime améliore la détection et l'analyse des rayons cosmiques.
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Table des matières
L'Observatoire Pierre Auger, situé à Malargue, Mendoza, Argentine, fonctionne depuis 2004. Cet observatoire a beaucoup contribué à notre compréhension des Rayons cosmiques ultra-haute énergie. Récemment, de nouvelles découvertes ont mené à une mise à niveau, appelée AugerPrime, pour améliorer l'analyse des rayons cosmiques. L'objectif est de collecter des infos détaillées concernant la masse primaire des rayons cosmiques les plus énergétiques lors d'événements appelés averses d'air.
Aperçu d'AugerPrime
Dans le cadre de la mise à niveau AugerPrime, les 1660 Détecteurs à eau Cherenkov existants dans le réseau de surface ont été améliorés. Ces upgrades incluent l'ajout de Scintillateurs en plastique et d'antennes radio. Ça va aider à augmenter la sensibilité du détecteur pour déterminer la composition des rayons cosmiques. En plus, l'électronique qui traite les données de ces détecteurs a été mise à jour. Les améliorations offrent un timing plus précis avec des récepteurs GPS modernes, une fréquence d'échantillonnage plus élevée pour la collecte des données, un meilleur éventail dynamique et un traitement local des données plus efficace.
Cet article décrit la conception, les processus de fabrication, les tests, la calibration et les paramètres de performance des nouvelles électroniques basés sur les premières données.
Structure de l'Observatoire
L'Observatoire Pierre Auger est doté de 1600 détecteurs à eau Cherenkov disposés dans une grille triangulaire. La grille couvre une zone de 3000 kilomètres carrés, avec des détecteurs supplémentaires placés dans une zone plus petite pour se concentrer sur les rayons cosmiques de basse énergie. Il y a aussi quatre sites de détecteurs de fluorescence qui utilisent des télescopes pour suivre le développement des rayons cosmiques. Ces détecteurs travaillent ensemble pour mesurer les particules secondaires générées lorsque les rayons cosmiques interagissent avec l'atmosphère terrestre.
Sciences derrière l'Upgrade
En presque deux décennies, l'Observatoire Pierre Auger a collecté énormément de données sur les rayons cosmiques ultra-haute énergie. Les données suggèrent une augmentation de la lourdeur de la composition de masse primaire à mesure que l'énergie des rayons cosmiques augmente. L'observatoire a aussi détecté une anisotropie à grande échelle dans les directions d'arrivée des rayons cosmiques au-delà de certains seuils d'énergie, suggérant que ces rayons viennent de l'extérieur de notre galaxie.
Pour continuer ce travail, la Collaboration Auger a décidé de mettre à niveau les capacités des détecteurs de surface pour mieux analyser la composition des rayons cosmiques. Le but est de séparer les parties muoniques et électromagnétiques des averses d'air, ce qui offrira plus d'infos sur les sources et les caractéristiques de ces rayons cosmiques.
Composants d'AugerPrime
Les détecteurs à eau Cherenkov incluent un réservoir rempli d'eau ultra-pure. Ils utilisent des tubes photomultiplicateurs pour détecter la lumière Cherenkov, qui est émise quand des particules chargées traversent l'eau à grande vitesse. Chaque station de détecteur fonctionne indépendamment et est alimentée par des panneaux solaires.
Pour élargir l'éventail dynamique des mesures de signal, un petit tube photomultiplicateur a été intégré dans le design. Ce petit tube garantit que des signaux très forts peuvent encore être mesurés avec précision sans saturation. De plus, un détecteur de surface basé sur un scintillateur se compose de deux panneaux scintillateurs qui améliorent aussi la capacité de mesurer les rayons cosmiques.
En plus, un détecteur radio a été installé pour capturer les signaux radio des averses d'air étendues, ajoutant une autre couche d'infos sur les événements de rayons cosmiques.
Mise à niveau de l'Électronique
La nouvelle mise à niveau électronique concerne le traitement des signaux des détecteurs scintillateurs et des tubes photomultiplicateurs. Elle vise à fournir un timing précis, une communication numérique avec d'autres détecteurs, et des capacités de traitement accrues.
La mise à niveau remplace le matériel plus ancien par une nouvelle carte unifiée qui s’adapte à l'infrastructure existante. Cette carte intègre toutes les fonctions nécessaires pour que les détecteurs fonctionnent efficacement. De plus, la mise à niveau maintient la compatibilité avec les ensembles de données précédents pour que les anciennes données puissent toujours être analysées efficacement.
Mise en œuvre et Fonctionnalité
Les électroniques mises à niveau sont conçues pour être efficaces et fiables. Elles incluent dix canaux d'entrée analogiques pour les signaux de différents détecteurs et permettent de garder les niveaux de bruit en dessous de limites spécifiées. De plus, le nouveau système échantillonne les données à une fréquence de 120 mégahertz pour améliorer la qualité des infos collectées.
L'électronique est aussi dotée d'une unité de contrôle programmable qui surveille divers paramètres du système et fait des ajustements si nécessaire. Le système de contrôle peut gérer les niveaux de tension et les capteurs environnementaux pour garder tout l'équipement en parfait état de fonctionnement.
Tests et Calibration
Pour garantir la qualité des nouvelles électroniques, des processus de test extensifs ont été établis. Cela inclut des tests menés par le fabricant pour vérifier que tous les composants fonctionnent correctement. Après les tests initiaux, l'équipement subit un dépistage de stress environnemental pour simuler les conditions de travail réelles à l'observatoire.
La calibration est essentielle pour maintenir des mesures précises des détecteurs. Divers signaux de référence sont utilisés pour calibrer les détecteurs à eau Cherenkov et les détecteurs de surface scintillateurs. Les données des rayons cosmiques sont continuellement surveillées pour ajuster les calibrations au fur et à mesure que les températures et les conditions changent.
Mise en Service et Performance
La mise en service de l'upgrade AugerPrime a commencé fin 2020. À mesure que la collecte de données progresse, divers paramètres de performance ont été analysés. Les niveaux de bruit restent constamment bas dans tous les détecteurs, respectant les spécifications cibles.
L'analyse des données montre une forte corrélation entre les signaux collectés par différents types de détecteurs, indiquant que les mises à niveau ont atteint les résultats recherchés pour mesurer les rayons cosmiques.
Plans Futurs
En regardant vers l'avenir, l'Observatoire Pierre Auger continuera d'étudier les rayons cosmiques avec les nouvelles électroniques. La mise à niveau AugerPrime vise à améliorer notre compréhension de ces particules haute énergie et de leurs sources. D'autres recherches se concentreront sur la collecte et l'analyse des données à long terme, tout en continuant d'améliorer les technologies de détection.
En renforçant la capacité d'analyser la composition des rayons cosmiques et en étendant l'éventail dynamique des détecteurs, le projet AugerPrime vise à dévoiler de nouveaux aperçus sur les phénomènes les plus énergétiques de l'univers. Cet effort continu souligne l'importance des mesures précises pour faire avancer notre compréhension des rayons cosmiques et de leurs origines.
Titre: AugerPrime Surface Detector Electronics
Résumé: Operating since 2004, the Pierre Auger Observatory has led to major advances in our understanding of the ultra-high-energy cosmic rays. The latest findings have revealed new insights that led to the upgrade of the Observatory, with the primary goal of obtaining information on the primary mass of the most energetic cosmic rays on a shower-by-shower basis. In the framework of the upgrade, called AugerPrime, the 1660 water-Cherenkov detectors of the surface array are equipped with plastic scintillators and radio antennas, allowing us to enhance the composition sensitivity. To accommodate new detectors and to increase experimental capabilities, the electronics is also upgraded. This includes better timing with up-to-date GPS receivers, higher sampling frequency, increased dynamic range, and more powerful local processing of the data. In this paper, the design characteristics of the new electronics and the enhanced dynamic range will be described. The manufacturing and test processes will be outlined and the test results will be discussed. The calibration of the SD detector and various performance parameters obtained from the analysis of the first commissioning data will also be presented.
Auteurs: The Pierre Auger Collaboration, A. Abdul Halim, P. Abreu, M. Aglietta, I. Allekotte, K. Almeida Cheminant, A. Almela, R. Aloisio, J. Alvarez-Muñiz, J. Ammerman Yebra, G. A. Anastasi, L. Anchordoqui, B. Andrada, S. Andringa, Anukriti, C. Aramo, P. R. Araújo Ferreira, E. Arnone, J. C. Arteaga Velázquez, P. Assis, G. Avila, E. Avocone, A. M. Badescu, A. Bakalova, F. Barbato, A. Bartz Mocellin, J. A. Bellido, C. Berat, M. E. Bertaina, G. Bhatta, M. Bianciotto, P. L. Biermann, V. Binet, K. Bismark, T. Bister, J. Biteau, J. Blazek, C. Bleve, J. Blümer, M. Boháčová, D. Boncioli, C. Bonifazi, L. Bonneau Arbeletche, N. Borodai, J. Brack, P. G. Brichetto Orchera, F. L. Briechle, A. Bueno, S. Buitink, M. Buscemi, A. Bwembya, M. Büsken, K. S. Caballero-Mora, S. Cabana-Freire, L. Caccianiga, R. Caruso, A. Castellina, F. Catalani, G. Cataldi, L. Cazon, M. Cerda, A. Cermenati, J. A. Chinellato, J. Chudoba, L. Chytka, R. W. Clay, A. C. Cobos Cerutti, R. Colalillo, A. Coleman, M. R. Coluccia, R. Conceição, A. Condorelli, G. Consolati, M. Conte, F. Convenga, D. Correia dos Santos, P. J. Costa, C. E. Covault, M. Cristinziani, C. S. Cruz Sanchez, S. Dasso, K. Daumiller, B. R. Dawson, R. M. de Almeida, J. de Jesús, S. J. de Jong, J. R. T. de Mello Neto, I. De Mitri, J. de Oliveira, D. de Oliveira Franco, F. de Palma, V. de Souza, B. P. de Souza de Errico, E. De Vito, A. Del Popolo, O. Deligny, N. Denner, L. Deval, A. di Matteo, M. Dobre, C. Dobrigkeit, J. C. D'Olivo, L. M. Domingues Mendes, J. C. dos Anjos, R. C. dos Anjos, J. Ebr, F. Ellwanger, M. Emam, R. Engel, I. Epicoco, M. Erdmann, A. Etchegoyen, C. Evoli, H. Falcke, J. Farmer, G. Farrar, A. C. Fauth, N. Fazzini, F. Feldbusch, F. Fenu, A. Fernandes, B. Fick, J. M. Figueira, A. Filipčič, T. Fitoussi, B. Flaggs, T. Fodran, T. Fujii, A. Fuster, C. Galea, C. Galelli, B. García, C. Gaudu, H. Gemmeke, F. Gesualdi, A. Gherghel-Lascu, P. L. Ghia, U. Giaccari, J. Glombitza, F. Gobbi, F. Gollan, G. Golup, J. P. Gongora, J. M. González, N. González, I. Goos, A. Gorgi, M. Gottowik, T. D. Grubb, F. Guarino, G. P. Guedes, E. Guido, M. Gómez Berisso, P. F. Gómez Vitale, D. Góra, S. Hahn, P. Hamal, M. R. Hampel, P. Hansen, D. Harari, V. M. Harvey, A. Haungs, T. Hebbeker, C. Hojvat, P. Horvath, M. Hrabovský, T. Huege, J. R. Hörandel, A. Insolia, P. G. Isar, P. Janecek, J. A. Johnsen, J. Jurysek, K. H. Kampert, B. Keilhauer, A. Khakurdikar, V. V. Kizakke Covilakam, H. O. Klages, M. Kleifges, F. Knapp, N. Kunka, B. L. Lago, N. Langner, M. A. Leigui de Oliveira, Y. Lema-Capeans, A. Letessier-Selvon, I. Lhenry-Yvon, L. Lopes, L. Lu, Q. Luce, J. P. Lundquist, A. Machado Payeras, M. Majercakova, D. Mandat, B. C. Manning, P. Mantsch, S. Marafico, F. M. Mariani, A. G. Mariazzi, I. C. Mariş, G. Marsella, D. Martello, S. Martinelli, M. A. Martins, O. Martínez Bravo, H. J. Mathes, J. Matthews, G. Matthiae, E. Mayotte, S. Mayotte, P. O. Mazur, G. Medina-Tanco, J. Meinert, D. Melo, A. Menshikov, C. Merx, S. Michal, M. I. Micheletti, L. Miramonti, S. Mollerach, F. Montanet, L. Morejon, C. Morello, K. Mulrey, R. Mussa, W. M. Namasaka, S. Negi, L. Nellen, K. Nguyen, G. Nicora, M. Niechciol, D. Nitz, D. Nosek, V. Novotny, L. Nožka, A. Nucita, L. A. Núñez, C. Oliveira, M. Palatka, J. Pallotta, S. Panja, G. Parente, T. Paulsen, J. Pawlowsky, M. Pech, R. Pelayo, L. A. S. Pereira, E. E. Pereira Martins, J. Perez Armand, L. Perrone, S. Petrera, C. Petrucci, T. Pierog, M. Pimenta, M. Platino, B. Pont, M. Pothast, M. Pourmohammad Shahvar, P. Privitera, M. Prouza, A. Puyleart, C. Pérez Bertolli, J. Pękala, S. Querchfeld, J. Rautenberg, D. Ravignani, J. V. Reginatto Akim, M. Reininghaus, J. Ridky, F. Riehn, M. Risse, V. Rizi, W. Rodrigues de Carvalho, E. Rodriguez, J. Rodriguez Rojo, M. J. Roncoroni, S. Rossoni, M. Roth, E. Roulet, A. C. Rovero, P. Ruehl, A. Saftoiu, M. Saharan, F. Salamida, H. Salazar, G. Salina, J. D. Sanabria Gomez, E. M. Santos, E. Santos, F. Sarazin, R. Sarmento, R. Sato, P. 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Zavrtanik, M. Zavrtanik, R. Šmída
Dernière mise à jour: 2023-10-08 00:00:00
Langue: English
Source URL: https://arxiv.org/abs/2309.06235
Source PDF: https://arxiv.org/pdf/2309.06235
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