[:fr]L’Observatoire Pierre Auger fête ses vingts ans[:pt]O Observatório Pierre Auger comemora seu vigésimo aniversário[:es]El observatorio Pierre Auger celebra sus veinte años[:]

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L’équipe de l’Observatoire Pierre Auger, le plus grand détecteur de rayons cosmiques au monde, a célébré les vingt ans de l’Observatoire à Malargüe, province de Mendoza, en Argentine, du 14 au 16 novembre 2019.

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Le 14 novembre, après l’accueil des invités et participants, le symposium scientifique a débuté par des exposés rappelant la genèse de l’Observatoire Pierre Auger. Tout a commencé dans la tête de quelques physiciens, emmenés par James Watson Cronin (prix Nobel de physique en 1980) de l’université de Chicago et par Alan Watson de l’université de Leeds. Leur objectif était de créer un gigantesque observatoire pour étudier les rayons cosmiques d’ultra haute énergie (RCUHE). Après des années passées à rassembler d’autres physiciens et ingénieurs, qui ont travaillé ensemble sur le projet, et à trouver l’endroit idéal, les premiers prototypes ont été lancés dès 2001, et la construction de l’Observatoire s’est achevée en 2008.

Les journées des 15 et 16 novembre ont été consacrées à la visite des principaux détecteurs de l’Observatoire (détecteurs de fluorescence et détecteurs Cherenkov à eau) et à la cérémonie célébrant la création de l’observatoire : plusieurs personnalités sont intervenues pour rappeler l’importance de cette réalisation hors norme dans la recherche internationale pour la vie scientifique argentine et la province de Mendoza, ainsi que pour la ville de Malargüe. Puis une sculpture érigée sur le campus de l’Observatoire a été dévoilée. L’Observatoire Pierre Auger couvre une superficie de 3000 km2 dans la pampa argentine, au pied de la cordillère des Andes, à proximité de la ville de Malargüe. Il est conçu pour étudier les rayons cosmiques aux plus hautes énergies. Ce sont les particules les plus puissantes de l’Univers : leur énergie dépasse les 1020 (des centaines de milliards de milliards) électronvolts (eV). En comparaison, les particules étudiées dans les plus grands accélérateurs, y compris celles accélérées par le LHC au CERN à Genève, sont dix millions de fois moins énergétiques. D’où viennent-elles ? Quelle est leur nature ? Comment atteignent-elles des énergies aussi extrêmes ? L’objectif de l’Observatoire Pierre Auger est d’apporter des réponses à ces questions.

Cérémonie des 20 ans de l’observatoire Pierre Auger à Malargüe (Credit: Observatoire Pierre Auger)

L’étude des rayons cosmiques d’ultra haute énergie est difficile car il faut faire face à des défis expérimentaux. En effet, le flux de ces énergies est trop faible pour permettre leur détection directe au dessus de l’atmosphère. Ces particules cosmiques sont donc observées en analysant les cascades de milliards de particules secondaires qu’elles génèrent dans l’atmosphère et que l’on nomme « grandes gerbes atmosphériques ». Leur flux ne dépassant pas 1/km2/an au-delà de 1019 eV, il est nécessaire de couvrir des surfaces de détection gigantesques pour collecter un grand nombre d’événements.

L’Observatoire Pierre Auger, ainsi nommé en l’honneur du physicien français ayant étudié les grandes gerbes atmosphériques dès 1938, est exploité par la collaboration éponyme, rassemblant plus de 400 scientifiques de 17 pays. La plaine des hauts plateaux de la Pampa Amarilla autour de Malargüe est un emplacement idéal, bénéficiant d’une atmosphère claire où l’altitude, d’environ 1400m, permet de détecter les gerbes avant leur extinction. Outre sa taille exceptionnelle, l’Observatoire allie deux techniques complémentaires de détection des grandes gerbes atmosphériques :

  • un réseau de 1660 détecteurs de particules, des cuves à effet Cherenkov contenant chacune 12 tonnes d’eau, afin d’échantillonner le profil latéral des gerbes, c’est-à-dire le nombre de particules traversant une surface donnée à une certaine distance du coeur de la gerbe,
  • 27 télescopes à fluorescence entourant le réseau, détectant la faible lumière ultraviolette émise par les molécules d’azote de l’atmosphère lors du passage des gerbes, afin d’échantillonner leur profil longitudinal, c’est-à-dire le nombre de particules en fonction de l’altitude.

L’utilisation conjointe de ces deux ensembles de détection a permis à l’Observatoire Pierre Auger de franchir un saut autant qualitatif que quantitatif qui le place à la pointe des recherches dans ce domaine d’étude. Après une quinzaine d’année de fonctionnement, les analyses bénéficient d’une statistique importante et d’une connaissance de plus en plus précise des mesures réalisées. Cela permet d’obtenir, aujourd’hui, des résultats remarquables et des avancées scientifiques dans la compréhension des phénomènes de haute énergie liés aux processus les plus violents de l’univers.

Image composite de Centaurus A, une des galaxies à noyau actif les plus proches de nous avec un trou noir central et des jets de plasma susceptibles d’accélérer des rayons cosmiques (Crédits : X-ray: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.; Submillimeter: MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.; Optical: ESO/WFI)

La mesure du spectre des rayons cosmiques réalisée par l’Observatoire Pierre Auger couvre une grande gamme d’énergie, allant de 31.016 à plus de 1020 eV. Plusieurs particularités ont été décelées comme par exemple la suppression brutale du flux pour une énergie supérieure à 51.019 eV. Des limites sur les flux de photons et de neutrinos d’ultra haute énergie ont permis d’éliminer la plupart des modèles pour lesquels les rayons les plus énergétiques sont les produits de décroissance de (hypothétiques) particules très massives. L’étude de la répartition des directions d’arrivée des rayons cosmiques a fourni la preuve que les plus énergétiques viennent d’au-delà de notre galaxie, et les nombreux résultats récents sont porteurs d’espoir quant à la possibilité de mieux comprendre l’origine de ces particules cosmiques d’énergie incroyablement élevée. Pourtant, leurs sources n’ont jusqu’alors pas été identifiées de façon formelle.

Le projet AugerPrime, conçu pour améliorer les performances de l’Observatoire, permettra d’apporter les éléments de réponse indispensables pour élucider cette question. L’élément clé est l’ajout de détecteurs à scintillation sur chaque cuve à eau. Pour traiter les informations délivrées par ces deux types de détecteurs, une nouvelle électronique d’acquisition et de contrôle est développée par la collaboration Pierre Auger et les laboratoires impliqués (à l’exception des cartes, construites dans une société privée). Les nouveaux détecteurs sont en cours d’installation sur le site de l’Observatoire, plusieurs sont déjà en fonctionnement.

Un détecteur de particules à effet Cherenkov (cuve à eau de 3,6m de diamètre) (Credit: Céline ANAYA-GAUTIER)

Initialement, des laboratoires CNRS de l’IN2P3 et de l’INSU étaient impliqués dans le projet mais, depuis une quinzaine d’années, seuls des laboratoires de l’IN2P3 sont associés : le groupe du LPNHE a été particulièrement actif dès la phase de création du projet. La France a clairement joué un rôle majeur dans la conception et dans la construction de cet observatoire hors normes via le PCC Collège de France (devenu l’APC par la suite) et le LTFB (lNSU) lors du démarrage du projet puis avec le LAL et l’IPNO en 2000. Les laboratoires français ont notamment réalisé l’essentiel de l’électronique des détecteurs Cherenkov, ainsi que les algorithmes et programmes informatiques essentiels au fonctionnement de l’Observatoire. Le CC-IN2P3 est devenu dès le début du projet le lieu de stockage officiel des données d’Auger ainsi que la première plateforme de simulation. Les laboratoires du LPSC et Subatech ont rejoint respectivement la collaboration en 2006 et 2007 et ont pris en charge des responsabilités importantes dans le contrôle et le suivi du fonctionnement de l’ensemble de l’Observatoire, et dans la construction du premier réseau de radio-détection sur le site. Actuellement, trois laboratoires de l’IN2P3 sont membres de la collaboration Pierre Auger : le LPNHE, l’IPNO, le LPSC. Ces deux derniers participent activement à la réalisation du projet AugerPrime, tant pour la construction des détecteurs à scintillation que pour le développement de la nouvelle électronique.

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A equipe do Observatório Pierre Auger, o maior detector de raios cósmicos do mundo, comemorou o 20º aniversário do Observatório em Malargüe, província de Mendoza, Argentina, de 14 a 16 de novembro de 2019.

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No dia 14 de novembro, depois de receber os convidados e participantes, o simpósio científico começou com apresentações lembrando a gênese do Observatório Pierre Auger. Tudo começou na mente de alguns físicos, liderados por James

O estudo dos raios cósmicos de ultra-alta energia é difícil devido aos desafios experimentais envolvidos. De fato, o fluxo destas energias é insuficiente para permitir a sua detecção direta acima da atmosfera. Portanto, estas partículas cósmicas são observadas analisando as cascatas de bilhões de partículas secundárias que causam na atmosfera, conhecidas como “chuveiros atmosféricos”. Como seu fluxo não excede 1/km2/ano além de 1019 eV, superfícies de detecção gigantescas são necessárias para coletar um grande número de eventos.

O Observatório Pierre Auger, leva o nome do físico francês, que já em 1938, estudou os chuveiros atmosféricos, e é operado pela colaboração do mesmo nome, reunindo mais de 400 cientistas de 17 países. A planície dos planaltos da Pampa Amarilla ao redor de Malargüe é uma localização ideal, beneficiando de uma atmosfera clara onde a altitude de cerca de 1 400 m, permite detectar os chuveiros atmosféricos antes da sua extinção. Além do seu tamanho excepcional, o Observatório combina duas técnicas complementares para a detecção dos chuveiros atmosféricos:

  • uma rede de 1660 detectores de partículas, tanques de efeito Cherenkov, cada um com 12 toneladas de água, para recolher amostras do perfil lateral dos chuveiros atmosféricos, ou seja, o número de partículas que passam por uma determinada superfície a uma certa distância do núcleo do chuveiro atmosférico,
  •  27 telescópios de fluorescência em torno da rede, detectando a baixa luz ultravioleta emitida pelas moléculas de azoto na atmosfera à medida que os chuveiros atmosféricos passam, para amostrar o seu perfil longitudinal, ou seja, o número de partículas em função da altitude.

A utilização combinada destes dois sistemas de detecção permitiu ao Observatório Pierre Auger dar um salto qualitativo e quantitativo, colocando-o na vanguarda da pesquisa neste campo de estudo. Após cerca de quinze anos em operação, as análises beneficiam de estatísticas importantes e de um conhecimento cada vez mais preciso das medições efetuadas. Hoje, isso permite obter resultados notáveis e avanços científicos na compreensão dos fenômenos de alta energia relacionados com processos mais violentos do universo.

Imagem composta de Centauro A, uma das galáxias de núcleo ativo mais próximas, com um buraco negro central e jatos de plasma suscetíveis de acelerar os raios cósmicos (Foto : X-ray: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.; Submillimeter: MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.; Optical: ESO/WFI)

A medição do espectro dos raios cósmicos realizada pelo Observatório Pierre Auger abrange uma vasta gama de energias, desde 31.016 a mais de 1020 eV. Várias características foram detectadas, como a supressão súbita do fluxo para uma energia superior a 51.019 eV. Os limites dos fluxos de fótons e neutrinos de energia ultra-alta eliminaram a maioria dos modelos onde os raios mais energéticos são os produtos da diminuição de (hipotéticas) partículas muito maciças. O estudo da distribuição das direções de chegada dos raios cósmicos forneceu evidências de que os mais energéticos vêm de além da nossa galáxia. A grande quantidade de resultados recentes da esperança para uma melhor compreensão da origem dessas partículas cósmicas de energia incrivelmente alta. No entanto, as suas fontes ainda não foram formalmente identificadas.

O projeto AugerPrime, concebido para melhorar o desempenho do Observatório, fornecerá os elementos de esclarecimento essenciais para responder esta questão. O elemento-chave é a adição de detectores de cintilação em cada tanque de água. Para processar as informações fornecidas por estes dois tipos de detectores, novos sistemas eletrônicos de aquisição e controle estão sendo desenvolvidos pela colaboração Pierre Auger e pelos laboratórios envolvidos (exceto as placas, fabricadas numa empresa privada). Os novos detectores estão sendo instalados no local do Observatório, vários já estão em operação.

Um detector de partículas de efeito Cherenkov (tanque de água com 3,6 m de diâmetro) (Foto: Céline ANAYA-GAUTIER)

Inicialmente, os laboratórios do CNRS do IN2P3 e do INSU participaram do projeto, mas nos últimos quinze anos, apenas os laboratórios do IN2P3 foram associados: o grupo do LPNHE foi particularmente ativo desde a fase inicial do projeto. Claramente, a França desempenhou um papel importante na concepção e construção deste observatório atípico através do PCC Collège de France (que se tornou no APC mais tarde) e do LTFB (lNSU) no início do projeto, e depois com a LAL e o IPNO em 2000. Em particular, os laboratórios franceses realizaram a maior parte dos sistemas eletrônicos dos detectores Cherenkov, e dos algoritmos e programas informáticos essenciais ao funcionamento do Observatório. Desde o início do projeto, o CC-IN2P3 tornou-se o local de armazenamento oficial dos dados do Auger e a primeira plataforma de simulação. Os laboratórios LPSC e Subatech se juntaram à colaboração em 2006 e 2007, respectivamente, e assumiram importantes responsabilidades no controle e monitoramento do funcionamento de todo o Observatório, e na construção da primeira rede de detecção de radiações no local. Atualmente, três laboratórios do IN2P3 são membros da colaboração Pierre Auger: LPNHE, IPNO e LPSC. Os dois últimos estão ativamente envolvidos no projeto AugerPrime, tanto na construção dos detectores de cintilação como no desenvolvimento dos novos equipamentos eletrônicos.

Os pesquisadores do IN2P3 sempre participaram ativamente na análise e interpretação dos dados e desempenharam um papel muito importante para conseguir resultados de alta qualidade. Os objetivos de física dos pesquisadores franceses estão focados naqueles que motivaram sua atividade de pesquisa ao longo dos últimos 15 anos. Eles continuam seus estudos sobre a distribuição das direções de chegada dos raios cósmicos, e sobre seu espectro energético, por toda a gama de energias acessíveis, e otimizarão o uso da informação disponibilizada pela adição dos novos detectores.

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La Colaboración Internacional en el Observatorio Pierre Auger, el mayor detector de rayos cósmicos del mundo, celebró su vigésimo aniversario en Malargüe, provincia de Mendoza, Argentina.

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El 14 de noviembre, después de dar la bienvenida a los invitados y participantes, el simposio científico quedó inaugurado con varias presentaciones sobre la historia del Observatorio Pierre Auger. Todo comenzó cuando un grupo de físicos, liderados por James Watson Cronin (Premio Nobel de Física en 1980) de la Universidad de Chicago y Alan Watson de la Universidad de Leeds, se reunieron con el objetivo de crear un gigantesco observatorio para estudiar los rayos cósmicos de ultra elevadas energías (UHER). En 2001, después de años de trabajo junto a otros físicos e ingenieros y de decidir en qué lugar se emplazaría el observatorio, se instalaron los primeros prototipos. Finalmente, la construcción se completó en 2008.

Durante los días 15 y 16 de noviembre se realizaron visitas a los principales detectores del observatorio (detectores de fluorescencia y detectores de agua Cherenkov) y se celebró el aniversario de la colaboración. Destacados científicos intervinieron para recordar la importancia de este gran logro en la investigación internacional para la vida científica de la Argentina y la provincia de Mendoza, así como para la ciudad de Malargüe. Las actividades finalizaron con la inauguración de una escultura en el campus del observatorio. El Observatorio Pierre Auger cubre una superficie de 3000 km2 y está ubicado cerca de la ciudad de Malargüe, al pie de la cordillera de los Andes. Está diseñado para estudiar rayos cósmicos de la más alta energía. Son las partículas más poderosas del Universo: su energía excede los 1020 (cientos de miles de millones de billones) electronvoltios (eV). En comparación, las partículas estudiadas en los aceleradores más potentes —incluso los acelerados por LHC en el CERN de Ginebra—, son diez millones de veces menos energéticas. ¿De dónde vienen estas partículas? ¿Cuál es su naturaleza? ¿Cómo llegan a energías tan extremas? El objetivo del Observatorio Pierre Auger es dar respuestas a estas preguntas.

Ceremonia del 20° aniversario del Observatorio Pierre Auger en Malargüe (Creditos : Observatorio Pierre Auger)

El estudio de los rayos cósmicos de ultra alta energía es particularmente difícil debido a los desafíos experimentales que implica. De hecho, el flujo de estas energías es demasiado bajo para permitir su detección directa sobre la atmósfera. Por lo tanto, estas partículas cósmicas se observan analizando las cascadas de miles de millones de partículas secundarias que generan en la atmósfera y que se denominan “grandes cascadas atmosféricas”. Como su flujo no supera los 1/km2/año más allá de 1019 eV, es necesario cubrir gigantescas superficies con una red de detectores para medir los componentes de las partículas que llegan al suelo.

El Observatorio Pierre Auger, llamado así en honor al físico francés que estudió las grandes cascadas atmosféricas en 1938, funciona gracias a la colaboración homónima, que reúne a más de 400 científicos de 17 países. La llanura de las altas mesetas de la denominada Pampa Amarilla alrededor de Malargüe es un lugar ideal, ya que cuenta con una atmósfera clara donde la altitud, alrededor de 1400 metros, permite detectar las lluvias de partículas secundarias antes de su extinción. Además de su excepcional tamaño, el Observatorio combina dos técnicas complementarias para la detección de las cascadas atmosféricas:

  • un conjunto de 1660 detectores de partículas, tanques en donde se produce el efecto Cherenkov, que contienen cada uno 12 toneladas de agua, para muestrear el perfil lateral de las cascadas, es decir, el número de partículas que pasan a través de una superficie determinada a una cierta distancia del núcleo de la cascada,
  • 27 telescopios de fluorescencia que rodean el conjunto, detectando la débil luz ultravioleta emitida por las moléculas de nitrógeno en la atmósfera por interacción con las partículas secundarias, para muestrear su perfil longitudinal, es decir, el número de partículas en función de la altitud.

La utilización conjunta de estos dos sistemas de detección ha permitido al Observatorio Pierre Auger dar un salto cualitativo y cuantitativo que lo sitúa a la vanguardia de la investigación en este campo del conocimiento. Después de quince años de actividad, los estudios allí obtenidos ofrecen importantes estadísticas y un estudio cada vez más preciso de las mediciones realizadas. Esto permite ofrecer, hoy en día, resultados notables y avances científicos en la comprensión de los fenómenos de alta energía vinculados a los procesos más violentos del universo.

Imagen compuesta del Centauro A, una de las galaxias de núcleo activo más cercanas, con un agujero negro central y chorros de plasma capaces de acelerar los rayos cósmicos (Creditos : X-ray: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.; Submillimeter: MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.; Optical: ESO/WFI)

La medición del espectro de rayos cósmicos realizada por el Observatorio Pierre Auger cubre un amplio rango de energía, desde 3.1016 hasta más de 1020 eV. Se han detectado varias peculiaridades, como la súbita supresión del flujo para una energía superior a 5.1019 eV. Los límites en los flujos de fotones y neutrinos de ultra alta energía han permitido eliminar la mayoría de los modelos en los que los rayos más energéticos son los productos de decaimiento de partículas (hipotéticas) muy masivas. El estudio de la distribución de las direcciones de llegada de los rayos cósmicos ha aportado pruebas de que los más energéticos provienen de más allá de nuestra galaxia, y los numerosos resultados recientes auguran que podamos comprender mejor el origen de estas partículas cósmicas de alta energía. Sin embargo, hasta ahora no se han identificado oficialmente sus fuentes.

El proyecto AugerPrime, diseñado para mejorar el rendimiento del Observatorio, brindará los elementos de respuesta esenciales para dilucidar esta cuestión. El elemento clave es la adición de detectores de centelleo en cada tanque de agua. Para procesar la información suministrada por estos dos tipos de detectores, el Observatorio Pierre Auger y los laboratorios implicados están desarrollando nuevas electrónicas de adquisición y control (a excepción de las placas de electrónica, producidas por una empresa privada). Los nuevos detectores se están instalando actualmente en el emplazamiento del Observatorio, y varios ya están en funcionamiento.

Detector de partículas de efecto Cherenkov ((tanque de agua de 3,6 m de diámetro) (Creditos : Céline ANAYA-GAUTIER)

Inicialmente, los laboratorios del CNRS del IN2P3 y del INSU participaron en el proyecto, pero durante los últimos 15 años, sólo los laboratorios del IN2P3 continuaron asociados: el grupo del LPNHE pariticipó activamente  del proyecto desde la fase inicial. Francia desempeñó un papel importante en el diseño y la construcción de este observatorio no estándar a través del PCC Collège de France (que más tarde se convirtió en el APC) y el LTFB (lNSU) al comienzo del proyecto, y luego con el LAL y el IPNO en 2000. Los laboratorios franceses han desarrollado la mayor parte de la electrónica de los detectores Cherenkov, así como los algoritmos y programas informáticos esenciales para el funcionamiento del Observatorio. El CC-IN2P3 se convirtió desde el inicio del proyecto en el lugar oficial de almacenamiento de los datos de Auger y en la primera plataforma de simulación. Los laboratorios LPSC y Subatech se sumaron a la cooperación en 2006 y 2007, respectivamente, y asumieron importantes responsabilidades en el control y la supervisión del funcionamiento de todo el Observatorio, así como en la construcción de la primera red de radiodetección en el lugar. Actualmente, tres laboratorios del IN2P3 son miembros de la colaboración de Pierre Auger: LPNHE, IPNO, LPSC. Los dos últimos participan activamente en el proyecto AugerPrime, tanto para la construcción de los detectores de centelleo como para el desarrollo de la nueva electrónica.

Los investigadores del IN2P3 siempre han participado intensamente en el análisis y la interpretación de los datos y han desempeñado un papel muy importante en la obtención de resultados de alta calidad. Los objetivos en el campo de la física de los investigadores franceses se centran en aquellos que han motivado su actividad de investigación en los últimos quince años. Continúan sus estudios de la distribución de las direcciones de llegada de los rayos cósmicos, y los relativos a su espectro de energía, en todo el rango de energía accesible, y harán un uso óptimo de la información obtenida mediante la incorporación de los nuevos detectores.

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