DAMPE est une mission en satellite de l’Académie des Sciences Chinoise, pour laquelle l’équipe de l’Université de Genève, en collaboration avec des équipes italienne et chinoise, a développé un détecteur des particules basé sur le détecteur au silicium de très grande précision. Le développement et la construction de ce détecteur, le Silicon-Tungsten Tracker (STK), se sont passés principalement dans notre laboratoire à Genève, avec le soutien de PME en Suisse. Après deux années d’intenses activités, le STK a été construit, testé et livré en Chine en avril 2015. Après l’intégration sur le satellite et des tests spécifiques pour l’espace, comme la vibration, le choc, le vide, la variation de températures, etc., le détecteur DAMPE a été lancé en décembre 2015 sur une orbite de 500 km au-dessus de la Terre. DAMPE est la seule expérience spatiale qui peut détecter les particules avec grande précision jusqu’à quelques 100 TeV (10x plus que l’énergie de protons accélérés dans le LHC au CERN). Donc avec DAMPE nous pouvons explorer des rayons cosmiques avec des énergies jamais mesurées directement avec une très grande précision. En fait plusieurs résultats intrigants sont déjà publiés dans Nature, Science Advances et Physical Review Letters, pour lesquelles l’équipe de Genève a joué un rôle de meneur, qui peuvent être liés à la matière noire, ou des sites de production près du système solaire, ou encore des effets de la propagation de ces particules dans notre galaxie. Nous continuons donc à accumuler encore plus de données pour apporter des réponses définitives à ces nouveaux phénomènes. Pour traiter les données très complexes nous développons des méthodes d’analyses basées sur l’Intelligence Artificielle. (Machine Learning).
En effet, pour aller au-delà de 100 TeV, il faut développer des nouveaux concepts de mission, et des technologies de détection innovantes. En plus de leurs énergies extrêmement hautes, donc difficiles à contenir, ces particules deviennent très rares. Le volet de HERD de ce projet concerne la préparation d’une future mission d’envergure pour mesurer les rayons cosmiques jusqu’à plusieurs PeV (Petaélectronvolt). HERD, en développement avec une collaboration internationale, dans lequel l’équipe de Genève est un membre fondateur, va être monté sur la future station spatiale chinoise, vers 2025. Notre équipe a proposé, et est en train de développer une trajectographie des particules avec une nouvelle technologie, basée sur les fibres scintillantes, qui est plus robuste, plus économique et plus efficace pour une détecter de grandes tailles.
The Space Astroparticle Physics Group at the Department of Nuclear and Particle Physics (DPNC) of the University of Geneva is a leading multi-disciplinary research group in the areas of cosmic ray physics, gammy-ray and X-ray astronomy, Dark Matter search and space instrumentation. Astroparticle physics research in space has been making rapid progress in recent years. Advanced particle detection techniques typically used in accelerator experiments have been successfully applied to detectors deployed with satellites or onboard space stations. Unprecedented measurement precisions have been achieved, and the frontier of direct cosmic ray detection has been pushed to the 100 TeV, and soon to the PeV, region. Space astroparticle physics has become an essential ingredient of the so-called multi-messenger astrophysics, which, by bringing together astroparticle physics, astrophysics and astronomy, provides a powerful multi-discipline tool to explore and understand the physics of extreme phenomena in the Universe. The Geneva group has been playing a prominent role in this progress. The group has made key contributions, in both hardware development and data analysis, to several major space missions. Currently the group participates in AMS-02, DAMPE, HERD, POLAR/PLOAR-2, PAN/Mini.PAN and eXTP. The research plan of this request focuses on the direct cosmic detection in the TeV-PeV range with the DAMPE and HERD missions: A) DAMPE: Direct measurement of cosmic ray electron flux to above 10 TeV, and that of nuclei (in particular helium, carbon and oxygen) up to 100 TeV/nucleon, using increasingly larger datasets, of up to 8 years of observation, of the DAMPE mission. Machine Learning techniques will be deployed for particle identification, energy correction and direction reconstruction in order to extend the energy reach and to improve measurement precisions. Monitoring and calibration of the DAMPE Silicon-Tungsten Tracker, which the group proposed, and has led its construction and in-orbit commissioning. Production of large Monte Carlo datasets, which are critical for exploring the particle energy range that can never be reached on ground. B) HERD: Prototype tests, beam test data analysis, detector calibration and simulation of the HERD Fiber Tracker (FIT), which is proposed and being developed by the Geneva group, financed by the Swiss Space Office, and is currently in the baseline layout of the HERD detector, Science preparation, including layout optimization, software development and the extrapolation of data analysis techniques developed for DAMPE will be carried out, in view of the first data from HERD, which is expected to be launched around 2025. The combination of the DAMPE and HERD activities provides a coherent leading-edge research project in the next few years for the group. Both experiments are based on the so-called calorimetric method, i.e. using large calorimeters to precisely measure the energies of high energy particles, and the Geneva group has led or is leading the developments of the tracker for both detectors, thus allowing the project to benefit from significant technical and scientific synergies. Timewise, the DAMPE mission is currently in excellent operation condition and will continue to collect data for at least 4-5 more years, at which point increasing statistics is no more critical, when HERD will start to be operational, overlapping with DAMPE measurements with a 10 times increase in statistics, and more importantly extending the measurements towards PeV, the so-called “knee” region in the cosmic ray spectra. The Geneva group collaborates closely with the Department of Astronomy of the University of Geneva and EPFL on these research projects.
Last updated:17.06.2022
