Les yeux de cette expéri­ence de détec­tion des gerbes de rayons cos­miques sont le résul­tat de plusieurs avancées majeures. Voici un zoom sur les défis tech­nologiques qui ont été relevés pour réus­sir les vols de bal­lons démon­stra­teurs de futures expéri­ences (en fin de page).

Le module de détection EUSO

Le mod­ule de pho­todé­tec­tion (PDM) con­stitue la brique élé­men­taire per­me­t­tant la con­struc­tion de la sur­face focale d’un téle­scope spa­tial à rayons cos­miques d’ultra-haute énergie (au-delà de 1019 eV). Il con­siste en une matrice de 6x6 MAPMTs de 64 pix­els (et de leur fil­tre UV) assem­blée avec son électronique.

Le pre­mier niveau d’électronique est con­sti­tué d’ASICs SPACIROC 3, dévelop­pés spé­ci­fique­ment pour l’expérience au sein de l’IN2P3 par le groupe Omé­ga (CNRS/École poly­tech­nique), dédiés à la lec­ture des sig­naux et à leur numéri­sa­tion. Cette élec­tron­ique de lec­ture pro­duit un échan­til­lon­nage tem­porel avec une unité de temps de 2.5 µs, cor­re­spon­dant au temps typ­ique de tra­ver­sée d’un pix­el par la lumière émanant d’une gerbe cos­mique se dévelop­pant dans le champ de vue. Au sein de cette fenêtre, la réso­lu­tion tem­porelle des ASICs est de 10 ns, et leur dynamique de comp­tage de pho­tons est linéaire, com­prise entre 1/3 pho­to-élec­tron à env­i­ron 100 photo-électrons.

Les sig­naux pro­duits sont ensuite col­lec­tés par une carte FPGA, dont le rôle est de gér­er le pre­mier niveau de trig­ger ain­si que l’acquisition des don­nées. Des généra­teurs hautes-ten­sions de très basse con­som­ma­tion (de type Cock­croft-Wal­ton) sont par ailleurs chargés d’alimenter les MAPMTs et sont directe­ment inté­grés à l’intérieur des unités de détec­tion. De cette manière, elles agis­sent comme des briques indépen­dantes, pou­vant être assem­blées à grande échelle par sim­ple juxtaposition.

Fig.1 : À gauche : CAO éclatée du mod­ule de pho­todé­tec­tion (PDM). À droite : mod­ule de détec­tion (PDM) com­posé de 2304 pix­els (400.000 images par seconde)

En out­re, les pho­to­mul­ti­pli­ca­teurs sont pro­tégés des fortes vari­a­tions d’intensité lumineuse, qui pour­raient engen­dr­er de forts courants sur les dernières dyn­odes et l’anode finis­sant par les endom­mager. À cette fin, le PDM intè­gre un sys­tème de com­mu­ta­teurs qui mod­i­fient automa­tique­ment la ten­sion de la pho­to­cath­ode avec un temps de réponse de l’ordre de la microsec­onde. Dans la mesure où les ten­sions sur les dyn­odes demeurent inchangées dans ce proces­sus, le retour au fonc­tion­nement nom­i­nal est extrême­ment bref.

Fig.2 (ci-con­tre) : Dia­gramme présen­tant la logique de l’algorithme action­nant les com­mu­ta­teurs des Cockcroft-Walton.

Les prin­ci­pales spé­ci­fi­ca­tions de la sur­face focale sont :

1. la détec­tion des pho­tons de flu­o­res­cence UV (Ultra-Vio­let) ;
2. la sen­si­bil­ité au pho­ton unique dans la gamme spec­trale 290–430 nm ;
3. la capac­ité d’imager le développe­ment des gerbes avec une réso­lu­tion tem­porelle de l’ordre de la µs ;
4. un « cross talk » entre pix­els voisins inférieur à 10%;
5. une fréquence du bruit interne du pho­to-détecteur de deux ordres de grandeurs inférieure à la fréquence de détec­tion du « night glow » (prin­ci­pale source de lumière dif­fuse dans le ciel noc­turne sans Lune).

Plusieurs mod­ules de pho­todé­tec­tion dévelop­pés, testés et cal­i­brés par les équipes de l’APC (CNRS/Université Paris Diderot/CEA/Observatoire de Paris), du LAL (CNRS/Université Paris-Sud) et d’Omé­ga ont été mis en œuvre avec suc­cès dans le cadre de mis­sions pathfind­ers de la col­lab­o­ra­tion inter­na­tionale JEM-EUSO (16 pays, 350 chercheurs) :

• mis­sion EUSO-Bal­lon (août 2014, Cana­da) : vol d’une nuit sous un bal­lon stratosphérique ouvert, sous l’égide du CNES et sous la respon­s­abil­ité de l’APC ;
• instru­ment EUSO-TA (2015–2016, USA) : parte­nar­i­at avec la col­lab­o­ra­tion Tele­scope Array, cam­pagnes com­munes de pris­es de don­nées au sol ;
• EUSO-SPB (mai 2017, Nou­velle-Zélande) : vol de longue durée sous un bal­lon stratosphérique pres­surisé, sous l’égide de la NASA ;
• Mini-EUSO (décem­bre 2018, ISS) : opéra­tion d’un PDM à bord de la sta­tion spa­tiale inter­na­tionale, sous l’égide des agences spa­tiales russe et ital­i­enne, ROSCOSMOS et ASI.

Fig.3 : Les qua­tre pathfind­ers EUSO : EUSO-Bal­lon 2014 (en haut à gauche), EUSO-TA 2015–16 (en bas à gauche), EUSO-SPB 2017 (en haut à droite) et mini-EUSO 2018 (en bas à droite)

Fig.4 : Détec­tion d’un événe­ment d’origine incon­nue tra­ver­sant le champ de vue d’EUSO-SPB lors du vol de 2017. Les images mon­trent le nom­bre de pho­to-élec­trons détec­tés par cha­cun des pix­els sur trois unités de temps consécutives.

Forte de ces suc­cès, la col­lab­o­ra­tion JEM-EUSO a soumis à la NASA le pro­pos­al POEMMA (Probe of Extreme Mul­ti-Mes­sen­ger Astron­o­my) dans le cadre du pro­gramme Probe Mis­sion pour son prochain plan décen­nal. Cette mis­sion éten­dra les objec­tifs de JEM-EUSO à la détec­tion des gerbes de neu­tri­nos cos­mogéniques (asso­ciés à l’interaction des UHE­CRs avec le CMB) et des neu­tri­nos astro­physiques à par­tir de 3´1016 eV, faisant ain­si la jonc­tion avec les neu­tri­nos d’Ice­Cube (et de KM3Net). La mis­sion POEMMA, dont l’instrument utilise le PDM des pathfind­ers EUSO, fait par­tie des 8 sélec­tion­nées et financées par la NASA en tant que Probe Study (qui per­me­t­tra à la NASA d’établir ses recom­man­da­tions défini­tives pour les mis­sions futures fin 2018).

En par­al­lèle, la NASA vient de sélec­tion­ner la mis­sion EUSO-SPB2 (vol de longue durée sous bal­lon stratosphérique), prochaine étape clé de la col­lab­o­ra­tion JEM-EUSO, conçue comme pathfind­er de POEMMA.

Une sélec­tions de  pho­tos et vidéos des divers­es expéri­ences de la saga EUSO qui empor­tent le PDM