Mesure du spectre de positons cosmiques avec l’expérience AMS-02 et recherche de signaux ”exotiques”

Physique d’AMS-02

Cosmologie

L’Univers est décrit par la relativité générale (RG) d’Einstein qui interprète la gravitation comme une courbure de l’espace-temps ([1], [2] et [3]). Friedmann montra en 1922 que les équations de la relativité générale n’autorisent pas de solutions statiques. Le modèle standard de la cosmologie donne un Univers en expansion, se développant depuis une explosion initiale : le Big-Bang. Cette vision de l’Univers sera vérifiée par les observations de Hubble en 1929. Cette découverte sera complétée par deux autres observations. La première est la mesure de l’abondance des éléments légers prédits par Gamow dans les années 40 dans le cadre du modèle du Big-Bang standard, suivi en 1964 de la découverte d’un fond cosmique micro-onde isotrope par Penzias et Wilson. Il s’interprète comme l’image de l’époque où les photons se découplent du plasma primordial. Cette mesure montre l’isotropie de notre Univers à une époque passée, faisant ainsi écho au point origine de notre Univers : le Big-Bang.

Fond micro-onde cosmologique (CMB)

Le fond micro-onde cosmologique découvert par accident en 1964 par Penzias et Wilson donne une information sur le découplage photon-matière. En effet, une fois les atomes formés, les photons se propagent librement. La mesure de l’isotropie de ce rayonnement démontre l’homogénéité à grande échelle de L’Univers. L’expérience WMAP (2003) a mesuré la température de ce fond avec une précision au millième : TCMB = 2.725 ± 0.002 K [8].

Les fluctuations de la température du fond cosmologique sont expliquées par des fluctuations de densité au moment du découplage photon-matière. Ces fluctuations sont à l’origine de la formation des grandes structures telles que les amas de galaxies. L’origine de ces fluctuations, avant le découplage vient de l’attraction gravitationnelle entre les baryons, qui perturbe la densité localement en produisant des surdensités. Ces surdensités ont eu pour effet d’augmenter localement la température du plasma, entraînant une pression de radiation des photons plus importante qui s’oppose à la compression. Ces deux phénomènes ont créé dans le plasma des oscillations dites « acoustiques », très similaires aux ondes sonores. L’image de ces fluctuations a été gelée dans le fond diffus cosmologique au moment du découplage. Elles apparaissent désormais sous forme de fluctuations de température. Ces anisotropies peuvent se décomposer en harmoniques sphériques dont le spectre de puissance angulaire Cl = f(l) renseigne sur les paramètres cosmologiques.

Formation de la galaxie

La matière noire, présente au sein des galaxies, participe à leur formation selon l’un ou l’autre des scénarii suivants :
• « top-down » : les grandes structures se forment en premier et se fragmentent,
• « bottom-up » : les petites structures se forment d’abord pour s’agréger en grandes structures.

Si la matière noire est composée de particules légères (∼ eV), elles sont par conséquent relativiste au moment du découplage ; on parle de matière noire chaude (HDM : Hot Dark Matter).

Candidats baryoniques

De nombreuses observations ont établi la présence d’une quantité importante de matière noire dans notre Univers. Les candidats sont nombreux depuis les objets astrophysiques classiques, incluant les nuages de gaz et les objets massifs compacts (MACHOs : massive compact halo objects), qui entrent dans la catégorie matière noire baryonique.

Objets massifs compact (MACHOs)

En comparant les estimations de matière lumineuse et la densité de baryons prédite par la nucléosynthèse primordiale, une partie de la masse du halo peut se trouver sous forme de structures peu lumineuses. Ces objets massifs peuvent être issus de la mort d’étoiles, comme les étoiles à neutrons ou les naines blanches, ou être des objets trop légers pour démarrer la combustion de l’Hydrogène (< 1M) [21]. La recherche de tels objets a été menée par plusieurs collaborations MACHO, EROS et OGLE qui utilisent le principe de la lentille gravitationnelle pour les détecter. Selon la relativité générale, la trajectoire des photons suit les courbures de l’espace-temps qui doit ses déformations aux différents objets massifs composant l’Univers. Ainsi un MACHO déforme la géométrie de l’espace-temps fléchissant la trajectoire des photons passant à proximité. L’objet agit alors comme une lentille multipliant et/ou déformant l’image des étoiles placées derrière lui. L’expérience EROS, en particulier, a montré que les MACHOS de masse comprise entre 2.10⁻⁷ M et 1 M contribuent, au plus à 25% de la masse du halo de matière noire .

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Table des matières

INTRODUCTION
I Physique d’AMS-02
1 Cosmologie
1.1 Modèle standard de la Cosmologie
1.2 Détermination des paramètres cosmologiques
1.2.1 Nucléosynthèse primordiale
1.2.2 Fond micro-onde cosmologique (CMB)
1.2.3 La constante cosmologique Λ
1.2.4 Conclusion
1.3 Contenu en matière
1.3.1 Preuve de la présence de matière noire
1.3.2 Formation de la galaxie
1.3.3 Candidats baryoniques
1.3.4 Candidats non-baryoniques
1.3.5 Distribution de matière noire
2 La matière noire d’origine supersymétrique
2.1 Extension du Modèle standard
2.1.1 Modèle standard (MS)
2.1.2 Insuffisances du Modèle standard
2.1.3 Extensions supersymétriques du MS
2.2 La particule supersymètrique la plus légère (LSP)
2.3 Recherches de matière noire sous forme de neutralino
2.3.1 Détection directe
2.3.2 Détection indirecte
2.4 Phénoménologie dans m-Sugra
2.4.1 Annihilation de neutralinos au repos
2.4.2 Non-universalité à l’échelle GUT
3 Les positons de notre Galaxie
3.1 Positons dans la galaxie
3.1.1 Caractéristiques et origine des rayons cosmiques
3.1.2 Les positons dans le milieu galactique
3.1.3 La modulation solaire
3.2 Equation de la diffusion
3.3 Paramètre de diffusion K(ǫ)
II L’expérience AMS-02 et ses performances
4 Le détecteur AMS-O2
4.1 Détecteur à Radiation de Transition
4.2 Système de temps de vol (TOF)
4.3 Trajectomètre et l’aimant supraconducteur
4.4 Compteurs Anti-Coincidence
4.5 Détecteur Cerenkov à Imagerie en Anneaux (RICH) ˇ
4.6 Calorimètre électromagnétique
5 Séparation positons/protons dans le calorimètre
5.1 Capacité de separation e/p du calorimètre
5.1.1 Comportement électromagnétique
5.1.2 Comportement hadronique
5.1.3 Variables
5.2 Analyse multi-variables
5.2.1 Analyse linéaire discriminante
5.2.2 Réseau de neurones
5.3 Tests en faisceaux 2002
5.3.1 Contexte et stratégie pour la séparation électron-proton
5.3.2 Simulation des tests en faisceaux
5.3.3 Qualité et composition des faisceaux
5.3.4 Présélection
5.3.5 Analyse
5.3.6 Etude des erreurs statistiques et systématiques
5.3.7 Contrôles approfondis
5.4 Conclusion
III Capacité de découverte
CONCLUSION