Un détecteur de rayons gamma polarisés du MeV au GeV pour l'astronomie gamma de haute précision angulaire et haute sensibilité, et polarimétrie gamma – HARPO

Une TPC est un volume de matière (ici de gaz) immergé dans un champ éléectrique (ici uniforme), dans lequel les «traces« produites par la conversion d'un photon, c'est à dire les trajectoires de l'électron et du positon, ionisent le gaz. Les électrons produits dérivent dans le champ et sont amplifiés, collectés et leur signal échantilloné en temps par une électronique dédiée.
Une segmentation de l'anode fournit une carte de l'événement sur les 2 dimensions transverses au champ, x et y, et la mesure de la durée de la dérive fournit la 3ème coordonnée z. On obtient à faible coût, en terme d'électronique, une image 3D très fine de l'évènement.

Nous avons construit un prototype et nous avons caractérisé ses propriétés de trajectographe à l'aide de traces uniques (rayons cosmiques) au laboratoire.

Nous l'avons ensuite transporté sur un faisceau de rayons gamma entièrement polarisés produits par la diffusion Compton inverse d'un faisceau laser sur le faisceau d'électrons de haute énergie (GeV) de l'anneau de stockage NewSUBARU opéré par le LASTI (Université de Hyôgo, Japon). En variant l'énergie du faisceau d'électrons et la longeur d'onde des lasers, nous avons pu couvrir la plage en énergie de gamma de 1.7 à 74 MeV.

Nous avons par ailleurs développé un générateur d'événements qui échantillonne la densité de probabilité complète, 5D, exacte dès le seuil sans aucune approximation de haute énergie. Nous avons d'autre part développé une simulation de l'expérience dont la partie haute énergie est réalisée par le logiciel Geant4.

Nous avons fonctionné pendant toute la prise de données (3 semaines) avec le même gaz en mode scellé sans recirculation/purification, une surveillance constante de la qualité du gaz démontrant sa faible dégradation en faisceau à haut flux.

Les dispositifs amplificateurs de charge dans le gaz que nous avons utilisés (gas electron amplifier GEM et micromegas) étant sujets à étincelles, nous avons surveillé leur taux de production, sans noter aucune augmentation en faisceau.

Nous avons pu acquérir des événements à un taux moyen de 50 Hz, induisant un temps mort faible étant donné le temps de digitisation de 1.5 ms, et malgré le taux important d'événements de buit de fond de plusieurs kz, gràce à un système de déclenchement dédié.
Nous avons ainsi acquis plus de 60 millions d'événements dont plus de la moitié résultent de conversion de photons dans le gaz de la TPC.

L'essentiel de ces données ont été acquises avec un faisceau presque totalement polarisé linéairement. Une rotation du détecteur selon l'angle azimutal («autour« de l'axe du faisceau) a été effectuée régulièrement par pas de 45°, de façon à pouvoir étudier l'effet de la non-symétrie cylindrique de celui-ci. Avec le même objectif d'étude d'effets systématiques, une petite fraction des données a été prise avec un faisceau dépolarisé.

L'analyse de données acquises est en cours.

9 présentations en conférence.
liens à llr.in2p3.fr/~dbernard/polar/harpo-t-p.html
2 principaux :
- qualification finale avant transport sur le faisceau
inspirehep.net/record/1301206
- la prise de données
inspirehep.net/record/1351887
et quelques posters
Brevet n°1550987. Dispositif de mise en circulation d’un gaz dans un circuit fermé. Inventeurs : D. Attié et P. Magnier (CEA-IRFU)

Nous demandons le financement d'un programme de R&D visant à caractériser l'utilisation d'une technologie existante en physique des particules élémentaires de haute énergie (HEP) la chambre à projection temporelle, pour une application nouvelle, la détection de haute précision de photons de haute énergie et en particulier de leur polarisation.
L'objectif final sera l'envoi d'un tel détecteur dans l'espace pour l'étude de photons gamma provenant de sources cosmiques, ce qui est discuté brièvement dans le document scientifique.
Cependant la demande présente est focalisée sur la physique, et en particulier deux livrables importants seront la mremière mesure de l'asymétrie de polarisation de la conversion "triplet" de photons, et
un générateur d'évènements utilisant la densité de probabilité complète.

Nous développons un nouveau concept de détecteur de photons gamma basé sur une TPC, qui sera :

- Le premier polarimètre pour rayons gamma cosmiques dans la plage d'énergie MeV-GeV, tels que ceux émis par des noyaux actifs de galaxie (AGN), des sursauts gamma (GRB), et les pulsars.
La polarimétrie est obtenue par l'analyse des propriétés angulaires des évènements de conversion triplet (gamma e- -> e+e- e-), qui sont reconstruits dans la TPC.

- Un télescope ayant une résolution angulaire meilleure d'un ordre de grandeur que celle des télescopes existant dans cette plage en énergie.
Cet instrument permet -- par une amélioration de la réjection du bruit de fond de 2 ordres de grandeurs -- de combler le fossé de sensibilité entre les plages en énergie pour lesquelles les télescopes Compton (0.01 - 5 MeV) et les télescopes utilisant la conversion de paire dans un convertisseur de Z élevé (0.1 - 300 GeV) sont sensibles (NIM A 701 (2013) 225).

La réalisation de cette caractérisation au sol est un prérequis pour une mission spatiale future.
Au delà de la validation expérimentale d'un prototype en faiseau de photons polarisés sur accélérateur, deux livrables importants seront :

- la première validation expérimentale des calculs basés sur QED d'asymétrie de polarisation, qui reposent sur un certain nombre d'hypothèses à basse énergie (près du seuil).

- l'implémentation d'un générateur d'évènements prenant en compte la densité de probabilité complète dans les logiciels de simulation utilisés en HEP, tel que Geant4.