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Making the invisible visible: Space particles become observable through handheld invention
Invisibles, imperceptibles et inodores, ces minuscules particules venues de l'espace nous bombardent constamment.
Elles proviennent des rayons cosmiques, des particules de haute énergie issues de l'explosion d'étoiles et d'autres événements astrophysiques extrêmes situés bien au-delà de notre système solaire. Lorsque ces rayons entrent en collision avec des atomes dans la haute atmosphère terrestre, ils déclenchent une cascade de particules secondaires. Parmi les plus importantes de ces nouvelles particules figurent les muons, capables de traverser l'atmosphère et même de pénétrer dans le sol.
L'invention de Spencer Axani, professeur de physique à l'Université du Delaware, baptisée CosmicWatch, met la science des muons à la portée des scientifiques confirmés comme des lycéens.
De la taille d'une boîte de biscuits apéritifs, CosmicWatch est un détecteur de particules. Fabriqué à partir de composants électroniques coûtant environ 100 dollars, il s'illumine et compte chaque passage d'un muon, stockant les données pour un téléchargement et une analyse ultérieurs.
Crédit : Sam Kmiec et Paul Puglisi
Conçu initialement comme un outil pédagogique économique pour initier les étudiants à la physique des particules, CosmicWatch est également utilisé dans des expériences d'astrophysique internationales qui nous permettent d'en apprendre davantage sur l'Univers.
« Les détecteurs CosmicWatch nous permettent de réaliser beaucoup plus d'expériences physiques à un coût considérablement réduit, dans un format compact et portable, ouvrant la voie à de nombreux nouveaux types d'expériences et d'activités de vulgarisation scientifique », a déclaré Axani.
Naissance d'un détecteur
Les scientifiques étudient les muons pour mieux comprendre certains des phénomènes les plus extrêmes de l'univers, comme les supernovae, les sursauts gamma et les blazars. Grâce aux muons, ils peuvent déduire l'énergie, la masse et la direction du rayon cosmique incident. Ce même flux de muons a également fourni l'une des premières confirmations expérimentales de la théorie de la relativité restreinte d'Einstein au début des années 1940.
Les muons peuvent aussi nous renseigner sur les objets présents sur Terre. Tels des super-héros, ces minuscules particules peuvent traverser la matière – murs, roches ou même êtres humains – sans l'endommager. L'énergie qu'elles laissent derrière elles les rend idéales pour l'imagerie à travers de grandes quantités de matière autrement inaccessibles. En 2016, la technologie muonique a permis de découvrir un couloir inconnu dans la Grande Pyramide de Gizeh.
Les doctorants Masooma Sarfraz et Miles Garcia (au centre et à droite) examinent les données de CosmicWatch au laboratoire, tandis que Collin Owens, étudiant de dernière année, et Axani travaillent sur une partie d'une future expérience qui intégrera cette invention. Crédit : Evan Krape et avec l'aimable autorisation de Musarate Shams.
Cependant, la plupart des détecteurs de muons sont volumineux et coûteux, ce qui limite les types d'expériences de physique réalisables et le nombre d'établissements pouvant les utiliser.
« Un cours de travaux pratiques de physique de premier cycle utilise généralement un rack d'électronique de la taille d'une petite étagère pour mesurer les muons », explique Axani.
Axani a créé CosmicWatch en 2017, alors qu'il était doctorant au MIT. Il souhaitait initialement construire un petit détecteur de muons à faible consommation pour l'observatoire IceCube en Antarctique. IceCube est un immense détecteur sous la glace qui suit les neutrinos, un autre type de particule subatomique. Disposer d'un détecteur de muons permet aux scientifiques de distinguer les particules qui sont en réalité des neutrinos.
Le projet s'est transformé en programme de vulgarisation scientifique lorsqu'Axani a réalisé qu'il pouvait fabriquer un détecteur portable à bas prix.
Après avoir rejoint la faculté de l'UD en 2022, Axani a continué d'améliorer CosmicWatch et vient de publier sa troisième version. Les améliorations apportées à l'appareil, décrites dans un article du Journal of Instrumentation en octobre, lui permettent de surveiller son environnement local, de résister à des niveaux élevés de radiation et de collecter des données plus rapidement.
« Bien que j'aie étudié les rayons cosmiques, je n'avais pas pleinement saisi la richesse de la physique qui sous-tend le fonctionnement de ces détecteurs permettant de "voir" la Terre et la production de particules atmosphériques », explique Masooma Sarfraz, doctorante au sein du laboratoire d'Axani et principale auteure de l'article. « Pour une étudiante comme moi, qui travaillait jusqu'ici sur des concepts théoriques, c'était l'occasion idéale de me plonger dans l'aspect expérimental. Cela s'inscrit également parfaitement dans mes recherches actuelles en physique des particules. »
Cette nouvelle version est idéale pour l'étalonnage des détecteurs à grande échelle et est utilisée dans l'expérience NuDot à l'Université du Delaware et dans le détecteur de matière noire Coherent CAPTAIN-Mills (CCM) à Los Alamos, au Nouveau-Mexique. Une autre version du détecteur est en cours de développement pour mesurer les rayons cosmiques primaires à bord des fusées et des engins spatiaux.
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Les étudiants de l'UD ne sont pas les seuls à tirer profit de CosmicWatch. Natasha Holmes, professeure agrégée de physique à l'Université Cornell, fait construire les détecteurs à ses étudiants en physique générale et les utilise également dans des expériences. Selon elle, l'expérience pratique offerte par l'appareil donne vie à la science.
« Les étudiants semblent vraiment enthousiastes à l'idée de faire quelque chose qui ressemble davantage au travail des physiciens des particules et des physiciens expérimentaux », explique-t-elle. « Ils apprennent à programmer, et il leur arrive de casser les appareils ; nous devons alors leur expliquer l'importance de manipuler le matériel avec précaution. C'est très différent d'un laboratoire de physique classique. Certains étudiants nous ont dit qu'ils faisaient de la "vraie science" après l'avoir utilisé. »
À l'échelle mondiale, Axani estime que des milliers de CosmicWatch ont été construites depuis la sortie de la première version il y a huit ans. Il rêve de voir ce nombre se multiplier dans le cadre de ce qu'il envisage comme un projet mondial de « science citoyenne », où des personnes du monde entier surveilleraient le taux de muons dans leurs régions et le transmettraient à une plateforme centrale sur Internet.
Parallèlement, il travaille sur un dérivé du détecteur qui permettrait de rendre les groupes de satellites plus « intelligents » en leur permettant de communiquer entre eux sur leur environnement. Par exemple, les détecteurs alerteraient les satellites des éruptions solaires afin qu'ils puissent se mettre hors tension si nécessaire.
Il n'aurait jamais imaginé que ce qui avait commencé comme un projet de vulgarisation scientifique servirait un jour à des expériences de plus grande envergure.
« Bien que ce soit parti d'un programme éducatif, il a trouvé des applications dans de nombreux domaines de la physique », a déclaré Axani. « C'est vraiment génial. »
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RESUME
Rendre l’invisible visible : les particules spatiales deviennent observables grâce à un instrument portable.
Un détecteur de muons compact et peu coûteux, appelé CosmicWatch, permet l’observation et la mesure directes des particules de rayons cosmiques, rendant la physique des particules accessible à l’enseignement et à la recherche. La portabilité et le prix abordable de l’appareil permettent une utilisation généralisée dans les salles de classe et les expériences internationales, soutenant ainsi l’étude des phénomènes cosmiques et des applications pratiques telles que la surveillance environnementale et l’étalonnage des détecteurs.
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COMMENTAIRES
Bravo! les moyens universitaires sont bridés par les problèmes de budget et toute amélioration de l observation universitaire est utile .....
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More information: Spencer N. Axani et al, CosmicWatch: The Desktop Muon Detector (v3X), Journal of Instrumentation (2025). DOI: 10.1088/1748-0221/20/10/p10040
Provided by University of Delaware
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