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Télescopes Tcherenkov



Détecter la lumière émise par les particules les plus rapides

La technique de l’imagerie Cherenkov utilise l’atmosphère terrestre comme un vaste calorimètre. Les rayonnements cosmiques interagissent avec les atomes constituant ce milieu. A haute énergie ces interactions provoquent le développement d’une cascade de particules (nommée gerbe atmosphérique).

Les particules chargées qui y sont produites peuvent se déplacer à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans le milieu. Par analogie avec le front d’onde acoustique produit par un avion dépassant le mur du son, la particule chargée qui franchira la vitesse de la lumière dans un milieu matériel génère à son passage un front d’onde électromagnétique. Ce rayonnement est appelé rayonnement Cherenkov (ou Tcherenkov) du nom du physicien russe Pavel Tcherenkov. Produit dans le domaine allant des ondes visibles aux ultra-violets, cette lumière a la possibilité de se propager dans l’atmosphère jusqu’au sol ou elle est collectée par un système optique. Des télescopes Cherenkov focalisent ce rayonnement dans leur foyer optique où une caméra converti ces photons en signal électrique.

Identification de la nature d'une gerbe cosmique
La gerbe de particules créée dans la haute atmosphère par une particules cosmique de haute énergie génère un cône de lumière Tcherenkov. Un réseau de télescopes au sol recueille quasi simultanément une partie de cette lumière. L'analyse de l'information recueillie simultanément, permet d'identifier la nature de la gerbe, la direction de l'axe du cône Cherenkov et ainsi de remonter à la direction de la particule primaire.
IN2P3/HESS

Ainsi, une image à deux dimensions renseigne sur la forme des gerbes qui s’est développée dans la haute atmosphère. De cette forme on en déduit l’énergie de la particule incidente et sa direction.

Les gerbes électromagnétiques, qui ont des caractéristiques bien définies, formeront des images elliptiques dont l’axe principal est orienté, dans la caméra, en direction du photon qui est à l’origine de la gerbe et, par conséquent, dans la direction de sa source (figures ci-dessous).

Indentification de l'origine de la lumière Tcherenkov
La forme de l'image de la lumière Cherenkov recueillie dans le plan focal d'un télescope permet d'identifier l'origine de la lumière émise.
IN2P3

L’accumulation d’images des rayons gamma issus d’une source ponctuelle produira une concentration de signal selon une direction particulière alors que le bruit de fond se répartira aléatoirement dans le plan focal de la caméra.

Les deux sources de contaminations les plus importantes proviennent des gerbes produites par les hadrons qui composent la majeure partie du rayonnement cosmique et des muons atmosphériques. Le bruit de fond hadronique se distingue des rayonnements gamma par des formes d’image qui s’écartent de la symétrie caractéristique des gerbes électromagnétiques. L’ajustement ses formes sur des géométries elliptiques par des méthodes de moindres carrés ou de maximum de vraisemblance permet d’en éliminer une grande partie.

Les muons produisent, dans le plan focal, des images annulaires aisément identifiables, mais, en général, ils ne sont pas vus par plus d’un seul télescope ; l’utilisation de la stéréoscopie élimine totalement ce bruit de fond directement au niveau de l’acquisition des événements ce qui a pour second avantage de minimiser le temps mort de l’expérience.

Pascal Vincent

SUITE : Expérience H.E.S.S,


Voir aussi :

Effet Cherenkov