Endeavour vient d’emmener AMS-02 dans l’espace

Aujourd’hui à 14h56 heure française, le détecteur AMS-02 vient de quitter la Floride à bord du dernier décollage de la navette spatiale américaine Endeavour.

Décollage de la navette Endeavour cette après-midi avec le détecteur AMS à son bord. © NASA.

AMS-02 est un détecteur de particules de 8,5 tonnes élaboré par une collaboration internationale regroupant 56 instituts originaires de 16 pays ainsi que La NASA, plusieurs agences spatiales et le CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire). La construction du détecteur aura durée 12 ans (depuis 1999) et coûté 1,5 Milliards en dollars. AMS sera arrimé à la station spatiale internationale ISS à 300 km d’altitude et devrait fonctionner pendant une dizaine d’années avant de revenir sur Terre vers 2020 lorsque la station internationale sera démantelée.

Le détecteur AMS lors de son assemblage au CERN en Juillet 2010. © CERN.

A quoi ça sert ?

La mission d’AMS a pour objectif principal de découvrir si l’Univers renferme de l’antimatière. En effet, la théorie du Big-bang indique que l’Univers doit contenir autant de matière que d’antimatière alors que les astronomes n’observent que de la matière, d’où le mystère : où est passé l’antimatière ?? (Voir un de mes billets précédent sur l’antimatière). Pour cela, AMS embarque une série de détecteurs capables d’identifier avec certitude de l’antimatière, plus précisément des anti-héliums (des antiatomes d’hélium contenant 2 antiprotons, 2 anti-neutrons et 2 positrons) qui pourraient être issus d’une « anti-étoile », voir d’une « anti-galaxie ». AMS-01 qui s’était envolé à bord de Discovery en 1998 avait déjà cherché ces atomes d’anti-héliums mais AMS-02 doit conforter ce résultat avec une sensibilité accrue qui permettrait définitivement aux astrophysiciens de faire une croix sur l’existence d’antimatière dans l’Univers.

Un autre aspect de la mission AMS est la découverte éventuelle de matière noire. Un autre problème des astrophysiciens est le manque de matière dans l’Univers (décidément, que de problèmes pour ces astrophysiciens !). Une des théories candidates pour expliquer ce manque serait une petite particule appelée neutralino que le détecteur AMS pourrait également détecter (en fait, le détecteur ne détecterai par directement cette particule mais le produit de collision entre ces particules).

Le dernier volet d’AMS est d’apporter une meilleure connaissance sur les rayons cosmiques. De nombreux phénomènes, parfois très énergétiques et violents, ont lieues dans l’espace et génère des particules très énergétiques qu’on appelle rayons cosmiques et qui voyagent à travers l’Univers. Ces rayons cosmiques bombardent ainsi la Terre de manière constante. Cependant, lorsque ces rayons cosmiques arrivent dans l’atmosphère terrestre, ils se désintègrent en de multiples particules moins énergétiques et nous ne recevons sur Terre que les produits de désintégration de ces particules. Heureusement que notre atmosphère nous protège car ces rayons cosmiques peuvent être dangereux pour l’homme et représente un danger réel pour les astronautes, plus particulièrement s’ils sont exposé sur de longues périodes comme lors d’un éventuel voyage habité sur Mars. AMS devrait donc permettre de mieux comprendre ces rayons cosmiques sur de longues durées.

Chaine de désintégration d’un proton énergétique dans l’atmosphère (rayon cosmique)

Comment ca marche ?

AMS signifie « Alpha Magnetic Spectrometer », car ce détecteur de particules est en fait un spectromètre alpha équipé d’un aimant générant un important champ magnétique. Un spectromètre, c’est en fait un instrument capable de séparer le spectre de différents rayonnements et on parle de spectromètre alpha car ce détecteur s’intéresse à des particules alpha (hélium ou anti-hélium) issues de certaines réactions nucléaires.

Le champ magnétique est généré par un aimant permanent de 0,15 Tesla (3000 fois le champ magnétique terrestre) permettant de dévier les particules chargées de manière à séparer matière et antimatière ainsi que pour calculer le moment des particules (leur masse multipliée par leur vitesse). La solution d’utiliser un aimant supraconducteur refroidi avec de l’hélium superfluide à 1,8 K (-271 °C) a été étudiée mais finalement abandonnée à cause de tests non concluants.

L’aimant supraconducteur de AMS-02 au CERN qui ne sera finalement pas utilisé. © CERN.

AMS est constitué d’une dizaine de sous-détecteurs ayant chacun un rôle précis. Il y en a un pour détecter les électrons et les positrons (TRD), un avertisseur de rayons cosmiques (ToF), un détecteur permettant de tracer les trajectoires des particules chargées (Tracker), un détecteur pour mesurer la vitesse des particules (RICH), un autre pour mesurer l’énergie des électrons, positrons et rayons gammas (ECAL). A cela s’ajoute un « anti coincidence counter » (ACC) permettant de sélectionner seulement les particules intéressantes ainsi que des systèmes d’alignement et de positionnement (TAS, Star Tracker et GPS).

AMS : un ensemble d’une dizaine de sous-détecteurs. © AMS.

L’ensemble des données des différents sous-détecteurs permet ensuite d’identifier avec certitudes les différentes particules ayant traversées les différentes couches. Le principe est un peu le même qu’un détecteur de particules « classique » tels ceux que l’on peut voir dans les accélérateurs de particules comme au CERN mais celui là est conçu pour pouvoir fonctionner dans l’espace et pour résister à la violence d’un décollage de fusée, ce qui impose des contraintes très fortes sur ce petit bijou technologique.

IL n’y a plus qu’à attendre  qu’AMS soit fixé à la Station Spatiale Internationale et commence son travail de mesure qui sera minute par minute suivi par l’ensemble de la collaboration depuis une salle de contrôle () pein construite) dédiée à AMS-02 au CERN (à cent de mètres de mon bureau d’ailleurs). J’essaierai d’en reparler dans 10 ans sur ce blog.