Possibles contributions françaises au Cherenkov Telescope Array (CTA) Document rédigé par les membres du comité CTA- France

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1 Possibles contributions françaises au Cherenkov Telescope Array (CTA) Document rédigé par les membres du comité CTA- France

2 Ce document résume les possibles contributions françaises au projet CTA et sert comme base de discussion pour la rédaction de la réponse de CTA- France au premier appel d expression d intérêt (EoI). Il a été rédigé par les membres du comité CTA- France qui réunit des représentants de tous les laboratoires impliqués dans la préparation de CTA en France : CNRS/IN2P3 : APC, CPPM, LAPP, LLR, LPNHE, LUPM CNRS/INSU : GEPI, IRAP, IPAG, LUTH CEA/IRFU : SAp, SPP, SEDI, SIS Le tableau suivant récapitule les contributions envisagées (par ordre de code PBS). Seul les laboratoires français sont indiqués. Pour des raisons de lisibilité, les laboratoires IN2P3 sont indiqués en gras. Produit Code PBS Laboratoires impliqués Data Centre building LAPP & CC IN2P3 1 Array Trigger 2.5 APC 2 Data Management 3 APC, IRAP, IRFU, LAPP, LLR, LPNHE, LUPM, LUTH Mécanique SST 4.1 GEPI, LUTH 60 Miroirs MST IRFU 20 Caméra MST 5.3 APC, CPPM, IPAG, IRAP, IRFU, LAPP, LLR, LPNHE, LUPM Mécanique LST LAPP 8 LIDAR LUPM 1 Les contributions sont détaillées sur les pages suivantes

3 Array Clock Distribution and Trigger L observatoire CTA consiste en deux réseaux de télescopes Cherenkov, sur deux sites (hémisphères sud et nord). Sur chaque site, il s agit de détecter la lumière Cherenkov issue des gerbes atmosphériques initiées par des rayons gamma de très haute énergie, vu «en stéréo» par plusieurs télescopes, pour remonter à l énergie et la direction d arrivée du rayon gamma incident, et également pour éliminer le bruit de fond des triggers non- coïncidents (dû aux muons atmosphériques proches ou à la lumière ambiante du ciel). Le taux de coïncidence du système ainsi qui la taux de participation de chaque télescope sont également des indicateurs précieux de la bonne fonctionnement des télescopes et de l ensemble. L Array Trigger, que l APC propose de fournir, est dédié à trouver les coïncidences temporelles des événements vu par plusieurs télescopes du réseau qui pointent dans la même direction (avec la flexibilité de pouvoir traiter des sous ensembles qui pointent sur des sources différentes). Il corrigera les retards temporelles depuis la gerbe de l arrivée de lumière sur chaque télescope, et ceci en temps réel pour permettre le suivi et afin d éviter de stocker les données inutiles. Une manière flexible d implémenter ce fonctionnement est par le moyen d une horloge distribuée en étoile depuis un point central, en utilisant des fibres optiques dédiées. L horloge sert à la datation des événements déclenché dans chaque télescope («time- stamp»), avec l étalonnage du temps de parcours par la mesure des temps aller- retour. Ces time- stamps sont ensuite ramené à un point central par des fibres parallèle à ceux servant pour la distribution d horloge, pour être traité par un logiciel qui identifié les événements en coïncidence, compte- tenu de la géométrie de l émission pour la direction pointée et qui envoie ces informations au système d acquisition des données. L'APC travaille également sur le projet NectarCAM concernant l'intégration de Array Clock Distribution et Trigger dans ces caméras. Array trigger 2.5 APC 2 Le système est fourni pour le site Nord et Sud. Il est souhaitable d avoir le même système sur les deux sites pour des raisons d efficacité et de simplicité. Pour ces fonctions il faut fournir quatre cartes conçues à l APC (dont deux sont en un exemplaire unique par site, les deux autres étant 1 par télescope, et 1 pour 4 télescopes, respectivement), plus un crate commercial PXI équipé des cartes CPU, GPS, et TDC, ainsi que des modules commerciaux de communication bidirectionnelle sur fibre optique (4 par télescope). Tous les items commerciaux seront achetés après appel d offre, et les cartes électroniques seront fabriquées et un déverminage fait par des partenaires 3

4 industriels, avec les tests finaux de fonctionnement et l intégration faits dans le laboratoire. Le choix et l achat des fibres optique pour l Array Trigger sera coordonnée avec le choix et l achat des fibres optiques pour la transmission des données. 4

5 Data Management Il s agit de fournir le produit «Data Management» incluant le Data Centre pour CTA. Le projet réuni un grand nombre de laboratoires du CNRS (APC, IRAP, LAPP, LLR, LPNHE, LUPM, LUTH) et plusieurs services du CEA/IRFU. Les laboratoires français travaillent aujourd hui sur tous les aspects du Data Management (Data model, Data pipelines, Data archives, Data access, et ICT infrastructures). Une structure de gestion de projet a été mise en place pour le Data Management au niveau international, avec comme responsable scientifique G. Lamanna (LAPP) et chef de projet / ingénieur système N. Neyroud (LAPP). Data centre LAPP & CC IN2P3 1 Data management 3 Data model 3.1 IRFU, LAPP, LPNHE, LUPM, LUTH 1 Data pipelines 3.2 APC, IRAP, IRFU, LAPP, LLR, LPNHE, LUPM, LUTH Data archives 3.3 IRFU, LAPP, LUTH 1 Data access 3.4 APC, IRAP, IRFU, LAPP, LLR, LPNHE, LUPM, LUTH ICT- infra 3.5 LAPP, LLR, LUPM La finalité du projet Data Management international est la réalisation du system d analyse scientifique et la gestion des données de l Observatoire CTA. Le consortium français assure la maitrise d œuvre de ce projet et s engage à donner la contribution la plus importante au sein de la collaboration internationale CTA. D autres équipes internationales, qui actuellement participent au projet international «Data Management», s ajouteront à l EoI du sous- consortium français dans le futur. Les équipes françaises collaborent sur tous les produits principaux du data management : elles ensembles collaborent au développement des logiciels de traitement de données de CTA (e.g. calibration, reconstruction, réduction et simulation de Monte Carlo) et les services d accès aux données. Le Data Centre représente la réalisation physique et la synthèse du développement qui a lieu avant la phase de construction de CTA et se compose de sous- systèmes logiques (qui, à l état actuel, ne doivent pas forcement avoir une correspondance avec des système physiquement distincts) : 1) l unité centrale pour la collection, le traitement et l archive de toutes les données (celui- ci construit autour du CC- IN2P3 pour les infrastructures de base, le LAPP pour les services des gestions de ressources, des infrastructures et des services 5

6 dédiée à CTA et l interface avec les utilisateurs du consortium CTA en collaboration entre LAPP, LUPM, APC, LLR, LPNHE.) ; 2) une unité en charge de service de dissémination des données ainsi que des logiciels astronomiques à la communauté scientifique (qui se base sur la tradition dans ce domaine de l APC, IRAP, IRFU et LUTH). 6

7 Caméra MST Le projet NectarCAM (proposition d une caméra modulaire pour les télescopes de taille moyenne ; MST) réuni un grand nombre de laboratoires du CNRS (CPPM, IPAG, IRAP, LLR, LPNHE, LUPM, APC, LAPP) et plusieurs services du CEA/IRFU. En plus, des collaborateurs étrangers participent actuellement au développement (CIEMAT et UCM- GAE (Madrid), ICC (Barcelona), IFAE (Bellaterra), DESY- Zeuthen (Berlin). Un prototype de module de la caméra a été développé dans le cadre de l ANR NECTAr. Une structure de gestion de projet a été mise en place pour NectarCAM, avec comme responsable scientifique J.- F. Glicenstein (IRFU), chef de projet F. Toussenel (LPNHE) et ingénieur système M. Fesquet (IRFU). Un plan de développement a été rédigé. Camera 5.3 Mechanics LLR, IRFU (cooling) 1 Focal plane optics IPAG, IRAP, LLR 1 Signal processing LPNHE, IRFU 271 Camera DAQ CPPM, LUPM, APC 1 Calibration sys LUPM 1 Camera aux. sys LAPP, LLR 1 Intégration (variable) IRFU 1 Un total de 39 caméras MST est à fournir (14 pour le site nord, 25 pour le site sud). Les PMTs constituent une fraction importante du coût des caméras. Deux fournisseurs potentiels ont été identifiés par la collaboration CTA : Hamamatsu (Japon) et Electron Tubes (UK). Il sera souhaitable d identifier un partenaire étranger qui prendra en charge l achat des PMT (par exemple le Japon). Alternativement, l achat des PMT sur les fonds communs de CTA pourra être envisagé. Des éléments développés dans les cadres des projets NectarCAM et DragonCam pourront être utilisés dans les deux projets caméras. Des groupes de travail commun ont d ailleurs été créés pour explorer cette voie. Il s agit en particulier des concentrateurs de lumières (IPAG), bases de haute tension (IRAP), DAQ (CPPM, LUPM), Slow Control (LAPP). 7

8 Mécanique LST Le projet LST - Large Size Télescope a pour but la construction des télescopes de grande taille pour les deux sites (Nord et Sud) de l observatoire CTA (4 télescopes LST par site). Le design mécanique du LST auquel le consortium international travaille est unique. Il sera finalisé au cours de La pré- production de certains éléments (e.g. miroirs et photomultiplicateurs) aura lieu en Le premier LST pourra être déployé à partir de Le consortium international LST est composé des équipes LAPP- IN2P3 (Annecy), MPI (Munich), IFAE (Barcelona), CIEMAT et UCM- GAE (Madrid), CTA- JAPAN, INFN (Pisa et Padova). L équipe du LAPP dans l organigramme du projet LST est en charge des responsabilités suivantes : Design et réalisation du system mécanique de support de la camera : structure d arche haubanée et mécanique externe de la caméra («arch- system and camera housing»). Développement et réalisation d un concept mécatronique de stabilisation active des structures mécaniques. Design et réalisation de l architecture mécatronique du «drive système» de chaque LST et du pilotage et control des sous- réseaux des LSTs. Simulation et validation du model globale du télescope LST en configurations statique et dynamique. Mount LAPP 8 8 camera support structure seront à fournir. L équipe du LAPP participe aux études et développements de l électronique et de l informatique pour le slow- control et sécurité des caméras LST et MST (voir description projet MST NectarCam). Des éléments développés dans les cadres des projets NECTArCam et DragonCam pourront être utilisés dans les deux projets caméras. Des groupes de travail commun ont d ailleurs été créés pour explorer cette voie. Au sein du projet LST certains équipes s impliquent aussi sur un projet R&D de camera LST de deuxième génération basée sur l utilisation de SiPMs. Notamment l équipe LAPP- IN2P3 (Annecy) vise à l évolution d un circuit ASIC déjà développé ces dernières années (MAPRA- 16) et basé sur l expérience en microélectronique de l IN2P3. Le LAPP se propose pour la fin de 2013 de produire un modèle d ingénierie du nouveau circuit, adapté à la lecture, pré- amplification et discrimination des signaux d une matrice SiPM. Probablement ce projet R&D ne pourra pas faire l objet d une réponse à l appel EoI, néanmoins il est considéré dans le plan d investissement de la phase de pré- construction. 8

9 LIDAR Construction and operation of a RAMAN LIDAR. It will deliver measurements of atmospheric profiles extracting the absorption coefficient, quantity needed for Physics analysis. It is expected to contribute with a relative low statistical error measurement of the level of 4-5%. This is a collaborating project with the participation of the IFAE/UAB (SP) and CEILAP (ARG) laboratories. Three LIDAR will be delivered at the end of the project, LUPM providing one of them. Central calibration facilities One RAMAN LIDAR will be delivered by LUPM. - 9

10 Mécanique SST Il s agit de contribuer à la construction des structures mécaniques des télescopes de petite taille de CTA- sud. Trois prototypes sont actuellement en cours de construction (ASTRI en Italie, SST- GATE en France en collaboration avec UK, et un prototype avec un miroir Davies- Cotton en Pologne en collaboration avec Suisse et Allemagne). Un choix devra être fait entre eux à l issue des tests, avant de lancer la production en série. Une fois le choix effectué, un accord doit être trouvé entre les différents partenaires impliqués sur les SST pour répartir les efforts de la construction entre les équipes impliquées. L'équipe responsable de la construction des SST sur site pourrait être celle dont le concept a été choisi. Nous proposons donc de fournir à CTA, selon le contexte national et international, les structures mécaniques ou un sous- système des SST. Mech. System* 4.1 GEPI, LUTH 60 Mount GEPI, LUTH Optical Support GEPI, LUTH *Aspects système et maîtrise d œuvre. Le nombre final de SST dans le réseau de CTA- sud n est pas encore décidé, ni le choix effectué entre design Davies- Cotton ou Schwarzschild- Couder. Nous considérons ici une valeur raisonnable de 60 SST de type Schwarzschild- Couder. Une réunion organisée le 8 novembre 2012 entre les représentants de l INAF et du projet ASTRI et ceux de l Observatoire de Paris et du projet GATE a permis de poser les bases d une collaboration long terme entre les deux projets GATE et ASTRI, en vue de la construction des SST de CTA- sud. Il est proposé qu à l issue de la construction et des tests des deux prototypes, un des designs soit choisi (lors d une revue externe) puis optimisé par toutes les équipes impliquées avant de lancer les productions en série. Les contributions aux divers sous- systèmes des télescopes SST seront alors réparties entre les équipes concernées, incluant probablement au minimum Italie, France, UK, Pologne, Suisse, 10

11 Miroirs MST Les optiques des télescopes MST, de diamètre 12 m environ, sont constituées d un assemblage de ~ 85 miroirs hexagonaux de 1,2 m de «plat à plat», ce qui représentera un ensemble de ~ 3300 miroirs pour les deux sites de CTA. L Irfu a développé ces cinq dernières années une technologie à faible coût pour la fabrication de ces miroirs. Un accord de transfert de technologie a été conclu avec l industriel Kerdry (en Bretagne) en 2011, et Kerdry a démontré sa capacité de production pendant l été 2012, avec une première pré- série de vingt miroirs entièrement fabriqués dans ses locaux. Primary mirror Irfu L Irfu propose de fournir la moitié des miroirs des MST, soit l équipement d une vingtaine de télescopes pour l ensemble des deux sites (13 optiques sur le site sud, 7 au nord). On a compté une centaine de miroirs par MST (84 nominaux dans le design pressenti, plus rechanges), soit un total de 2000 miroirs pour les deux sites. Le montage sur site peut nécessiter une contribution de l Irfu, en liaison avec les équipes en charge de l intégration, et de la motorisation des miroirs. 11