Le programme de sciences participatives CosmicSail consiste à la mesure de particules cosmiques secondaires, les muons, à bord de voiliers via des expéditions citoyennes. Le projet a une visée à la fois scientifique et pédagogique et offre à tout citoyen la possibilité de s’investir dans un protocole scientifique via des échanges réguliers avec les scientifiques référents, depuis la confection d’un détecteur de muons low-cost jusqu’à la collecte des données en mer, leur analyse et leur vulgarisation. L’idée est de permettre aux citoyens de s’impliquer activement dans la démarche d’acquisition des connaissances de notre environnement tout en contribuant à éclaircir les mystères de ces particules invisibles issues de particules qui nous viennent des confins de l’Univers.               

Le rayonnement cosmique

Nous sommes en permanence bombardés par une pluie de particules invisibles et ultra rapides (majoritairement des protons et des noyaux) en provenance du soleil, de l’espace galactique et extragalactique : les « rayons cosmiques ». Les énergies des particules du rayonnement cosmique peuvent prendre des valeurs très différentes. Les plus puissantes détectées sur terre ont l’équivalent de l’énergie cinétique d’une balle de tennis lancée à 160 km/h, concentrée dans un proton ! Certaines de ces particules cosmiques vont interagir avec les molécules de la haute atmosphère et provoquer des réactions en chaînes donnant lieu à  la production de particules dites secondaires, moins énergétiques.  Au niveau de la mer,  ~ ¾ des particules cosmiques secondaires sont des muons, particules chargées instables analogues aux électrons.

Le flux de muons n’est pas le même en chaque point du globe et va dépendre de divers facteurs tels que leur énergie et l’angle zénithal de leur trajectoire, ainsi que tous paramètres environnementaux qui impactent les processus à l’origine de leur production/désintégration. Il s’agit de facteurs atmosphériques, et de facteurs associés à l’activité solaire (cycle solaire de 11 ans, tempêtes solaires et éjections de masse coronale) et au champ magnétique terrestre. Le flux de muons de faible énergie va ainsi dépendre de la latitude, par l’influence de l’inclinaison des lignes de champ magnétique, et va être soumis à des anomalies locales du champ magnétique comme observées au niveau de l’ « Anomalie Sud Atlantique ».

Contexte et enjeu

Plus d’un siècle après la découverte de ces particules venant du cosmos, beaucoup de questions demeurent encore sans réponses, et les fruits les plus fascinants de leur découverte restent peut-être encore à découvrir. Outre l’intérêt porté sur le mystère qui tourne autour de la nature et de l’origine des particules les plus énergétiques, les rôles et les effets des rayons cosmiques sur l’environnement sont encore mal connus. Les rayons cosmiques sont notamment considérés comme un lien possible couplant l’activité solaire aux processus atmosphériques, et donc aussi indirectement aux processus océaniques.

La mesure du flux de particules, telles les muons, à la surface de la Terre via différents types de détecteurs permet d’obtenir des informations sur les propriétés des particules cosmiques de haute énergie dont ils sont issus et sur les phénomènes cosmiques et atmosphériques qui modulent leurs variations. Des modèles qui simulent les interactions des particules cosmiques avec les molécules présentes dans l’air existent et aident à la compréhension de ces phénomènes. Comme tout modèle, ils sont toutefois basés sur des hypothèses qui demandent à être confortées par l’apport de données.

Par ailleurs, nous sommes aujourd’hui au tout début du 25° cycle solaire, qui d’après les dernières annonces des chercheurs, a débuté en décembre 2019 et atteindra un maximum en 2025. L’augmentation de l’activité solaire qui est en cours va se traduire par un plus grand nombre de tâches à sa surface et une hausse des éruptions solaires. Ces dernières ne durent pas plus de quelques heures et sont difficiles à prévoir, il est donc nécessaire d’avoir une couverture permanente la plus large possible en termes d’équipement de mesure.

Des mesures régulières du flux de muons sur les océans via des expéditions citoyennes pourront ainsi permettre d’obtenir des données sur l’ensemble du globe, à des latitudes géomagnétiques variées et sur des périodes de temps allant de la semaine à plusieurs mois augmentant les chances de détecter les éruptions solaires ainsi que d’autres phénomènes cosmiques et atmosphérique. Les données collectées seront ensuite utiles pour alimenter les modèles existants et contribuer à améliorer nos connaissances de ces phénomènes et de leurs effets sur notre environnement, leur lien avec des phénomènes météorologiques/océaniques, de la dynamique générale des muons au niveau de la mer, ou pour observer d’autres phénomènes encore inconnus. Finalement, toutes nouvelles données permettant d’améliorer nos connaissances sur ces particules invisibles seront un pas de plus pour lever leur mystère !

Objectifs

Scientifiques :

  • Acquérir une meilleure connaissance de la dynamique des muons sur les océans et leurs interactions avec l’atmosphère, notamment via l’étude de leurs variations long terme (cycle solaire), court terme (tempête solaire), et spatiales (effet de la latitude).
  • Alimenter les modèles existants.

Pédagogiques :

  • Sensibiliser le public sur le sujet des particules cosmiques
  • Initier à la démarche scientifique par la mise en place et la mise en pratique concrète d’un protocole réfléchi en amont.

Kit de mesure

Pour collecter les données, un kit de mesure sera fourni aux équipiers. Le kit de mesure sera composé de:

  • Boitier de mesure composé d’un détecteur à muons, un GPS, un capteur de pression et de température.
  • Un bloc note et un crayon pour noter les conditions météorologiques notables (pluie, orage, ciel clair, ciel nuageux)
  • Une documentation d’utilisation du kit.
  • Un protocole de mesure.
  • Des ressources pour expliquer les enjeux scientifiques.

Le kit a pour vocation d’être reproduit par tous et distribué sur les différents réseaux, sous licence OpenSource et co-construit avec le(s) partenaire(s).

Il est à noter que les détecteurs de particules visent en général à identifier les particules, à mesurer leur énergie et quantité de mouvement, ainsi qu’à localiser la particule avec une résolution suffisante dans l’espace et dans le temps. Un seul détecteur n’est jamais optimal pour toutes ces exigences. Le détecteur de muons portable qui sera développé ici sera donc un détecteur à usage général qui vise à collecter des informations granulaires sur ces exigences.

Comment ça marche ?

Le détecteur de muons est simple d’utilisation, de petite taille (60 x 10 mm), de consommation réduite, et d’un prix abordable. La détection est basée sur le principe de scintillation : les muons sont détectés par l’émission du photon qu’ils induisent dans les lattes d’un scintillateur fait de matière organique (plastique), converti en impulsion électrique et amplifié ensuite par un photomultiplicateur. Le signal reçu à la sortie du photomultiplicateur est convertit en signal numérique de sorte qu’il soit mesurable par un microcontrôleur (ici un Arduino Nano). Aucun réglage ne sera nécessaire pour l’utilisation du détecteur, il suffira de l’allumer au départ de l’expédition et de l’éteindre à la fin.

Après assemblage et développement des kits de mesure qui équiperont les voiliers, les détecteurs-prototypes  seront testés en mer sur les voiliers des plaisanciers partenaires et modifiés/adaptés si nécessaire. On réfléchira notamment à une méthode permettant de garder les détecteurs à l’horizontale à bord du voilier afin de limiter l’impact du roulis/tangage sur la mesure. Les kits une fois validés pourront ensuite être embarqués en expédition. Les données seront acquises en continu de manière automatique pendant toute la navigation et stockées sur une carte mémoire ou visualisées directement sur un ordinateur via une connexion USB. Une fois collectées, les données seront ensuite traitées et analysées,  avec l’aide du chercheur partenaire.

Statut du programme
L’ensemble des pièces nécessaires au montage du prototype ont été récupérées. Le prototype sera assemblé prochainement.

Partenaire scientifique
L’association a développé ce programme avec l’ONERA (Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales).
Illustration d’une gerbe de particules cosmiques.
Gerbe atmosphérique. Les muons sont en rose.

Schéma d’une éruption solaire à l’origine d’un flux de particules en direction de la Terre.
Aurore boréale @Frank Orsen
Détecteur de muons « CosmicWatch », dont on s’inspirera pour le détecteur CosmicSail.
Schéma su détecteur de muons.