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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 une sorte de vaste calorimètre. Les rayonnements cosmiques de haute énergie interagissent avec les atomes atmosphériques. Ces interactions provoquent le développement d’une cascade de particules, une gerbe atmosphérique.

Les particules secondaires chargées résultant de ces interactions peuvent se déplacer à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans l’atmosphère. Comme le “bang” produit par un avion dépassant le mur du son, la particule chargée qui dépasse la vitesse de la lumière dans le milieu où elle se propage génère un front d’onde, un bang électromagnétique, appelé lumière Cherenkov (ou Tcherenkov) du nom du physicien russe Pavel Tcherenkov qui le découvrit. Produit dans le domaine allant des ondes visibles aux ultra-violets, cette lumière a la possibilité d’atteindre le sol ou elle peut être collectée par un système optique. Des télescopes Cherenkov focalisent ce rayonnement dans leur plan focal, .  Une caméra convertit les photons recueillis  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 Cherenkov. 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 dans le plan focal du télescope renseigne sur la nature du cône de lumière Cherenkov qui s’est développé dans la haute atmosphère. De cette forme on en déduit l’énergie de la particule incidente et du  cône sa direction.

Les gerbes électromagnétiques, qui ont des caractéristiques bien définies, formeront des images elliptiques dans le plan focal de la caméra dont l’axe principal dépend de la direction du photon primaire à l’origine de la gerbe. A l’aide de plusieurs télescopes, on peut remonter à  la direction de sa source (figures ci-dessous).

Identification 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 lointaine source ponctuelle produira une concentration de signal dans la direction de cette source, et donc de l’identifier, 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 cosmiques par des formes d’image qui s’écartent de la symétrie caractéristique des gerbes électromagnétiques.

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


Voir aussi :

Effet Cherenkov