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Etude de la Nature des Rayons Cosmiques d’Ultra Haute Energie à partir des premières données de l’Observatoire Pierre

Etude de la Nature des Rayons Cosmiques d’Ultra Haute Energie à partir des premières données de l’Observatoire Pierre Auger. Gilles Maurin Directeur de thèse : Jean-Michel Brunet. Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005. Plan. Nature des rayons cosmiques L’Observatoire Pierre Auger

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Etude de la Nature des Rayons Cosmiques d’Ultra Haute Energie à partir des premières données de l’Observatoire Pierre

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  1. Etude de la Nature des Rayons Cosmiques d’Ultra Haute Energie à partir des premières données de l’Observatoire Pierre Auger Gilles Maurin Directeur de thèse : Jean-Michel Brunet Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  2. Plan • Nature des rayons cosmiques • L’Observatoire Pierre Auger • La reconstruction des événements • Résultat préliminaire sur la composition hadronique • Recherche de photons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  3. loi de puissance  -2,7 108 1010 1012 eV/Nucl. Spectre et nature des rayons cosmiques <1013 eV Détection directe du rayon cosmique (satellites et ballons atmosphériques)  Mesure directe de la charge du cosmique par dépôt d’énergie Nature des rayons cosmiques Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  4. QGSJet QGSJet 1016 1015 1016 1015 1017 1017 Sibyll Sibyll 1017 1015 1016 1017 1015 1016 Spectre et nature des rayons cosmiques 1015 - 1017 eV Détection indirecte du rayon cosmique par la gerbe qu’il crée dans l’atmosphère (détecteurs au sol) Résultats récents de l’expérience Kascade Les genoux: Transition noyaux légers vers noyaux lourds • dépend du modèle  Nature déterminée par la densité de muons ou le maximum de développement de la gerbe eV Origine : Fin du confinement galactique et/ou changement de type de source Nature des rayons cosmiques Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  5. 1019 1018 1017 E [eV] Spectre et nature des rayons cosmiques 1017 - 1019 eV Etude du maximum de développement de la gerbe (Xmax) par les détecteurs de fluorescence au sol • Transition noyaux lourds vers noyaux légers au niveau de la cheville: origine inconnue A ces énergies, les sources peuvent être extragalactiques Fly’s eyes Nature des rayons cosmiques Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  6. Spectre et nature des rayons cosmiques >1019 eV • Problématique: • D’où viennent-ils ? • Quelle est leur énergie maximale ? • Quelle est la nature des RCUHE ? Nature des RCUHE Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  7. Top - Down Désintégration de particules « X » massives (Mc2 > 1021 eV) Ex: défauts topologiques (monopoles, cordes), particules métastables reliques du Big-Bang, prévues par les GUTs Les modèles de production Bottom - Up Accélération (de type Fermi) de particules chargées dans des processus astrophysiques violents Critère de Hillas: Ex: pulsars, noyaux actifs de galaxie, sursauts gamma… • Signature: particules chargées (protons, noyaux légers, noyaux lourds) • Signature: Photons, neutrinos, protons Nature des RCUHE Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  8. La propagation des hadrons Proton: photo-production de pions avec le fond de photons à 3K (CMB) Eseuil = 70 EeV Protons • Distance des sources > 100 Mpc (super amas local) • forte diminution dans le spectre autour de 7  1019eV = coupure GZK Après 100 Mpc E < 1020eV Noyaux: photo-dissociation avec le CMB et le fond infrarouge:  pertes d’énergie  pertes de nucléons • Coupure au même niveau que GZK Nature des RCUHE Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  9. La propagation des photons Création de paires e+e- avec les différents fonds de l’univers Photons Au dessus de 1016 eV, Plus l’énergie du photon augmente Plus l’univers devient transparent Nature des RCUHE Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  10. Nature des RCUHE (E>1019eV) Permettra d’obtenir des informations supplémentaires sur Modèle privilégié Nature la distance des sources (GZK ?) les champs magnétiques Proton Bottom-Up Noyau (Z>1) la distance des sources les champs magnétiques Bottom-Up la distance des sources le fond diffus radio Photon Top-Down Nature des RCUHE Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  11. Les grandes gerbes atmosphériques et leur détection - L’Observatoire Pierre Auger Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  12. Les gerbes atmosphériques Atmosphère Grande gerbes atmosphériques Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  13. Détection des gerbes atmosphériques Observatoire AUGER Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  14. LOMA AMARILLA L’Observatoire Pierre Auger Réseau (SD): 1600 cuves Cerenkov espacées de 1.5 km = 3000 km2 Détecteurs de Fluorescence (FD): 4 Sites (“yeux”) 6 Télescopes par site (180° x 30°) 70 km Observatoire AUGER Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  15. L’Observatoire d’hier à aujourd’hui Merci Cyril ;) Observatoire AUGER Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  16. L’Observatoire aujourd’hui • Aujourd’hui: • 863 cuves opérationnelles • > 180 000 événements physiques (0.9 evt/station/jour) • 3 détecteurs de fluorescence complets • Etude de la nature des rayons cosmiques d’ultra haute énergie à partir des événements enregistrés par le réseau de surface Observatoire AUGER Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  17. Ondes hertziennes Antenne GPS Electronique 40 MHz FADC Panneau solaire Acquisition centrale Sélection spatio-temporelle 3 PMTs Batterie Cuveplastique 12 tonnes d’eau Réseau de surface (SD) Triggers internes (20 triggers/s): Trigger Seuil Trigger TOT 3PMT > 1.75 VEM 2PMT > 0.2 VEM sur 13 Bins Auto-calibration de la cuve: 1 VEM = Signal moyen déposé par un muon traversant la cuve verticalement en son centre Temps (25ns/bin) Temps (25ns/bin) Observatoire AUGER Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  18. Démarche de l’identification +5.000 gerbes (Corsika+QGSJet) Thinning optimisé à 10-6 ( 2 To ; tps  1 jour/ gerbe) Simulations de gerbes Etude et définition critères physiques Quantification du pouvoir discriminant +20.000 événements simulés avec SDSim v3.00 (tps  qq h/gerbe) Simulations du détecteur Maurin et al. Gap-Note 2003-086 CC Lyon, Idris, I-Cluster Reconstruction des événements Etude et définition critères observables Etude des biais et des résolutions Procédures d’identification Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  19. Détection et reconstruction des événements enregistrés par le réseau de surface de l’observatoire Pierre Auger Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  20. Etape 0: Barycentre des signaux Première estimation de la position du cœur de la gerbe: Barycentre des 3 cuves ayant enregistrées le plus de signal N Poids du barycentre • Paramètre reconstruit: • Position du cœur (x0,y0,z0) Reconstruction SD Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  21. Etape 1: Ajustement plan du front Front Plan (u,v,w) Front de particules approximé par un plan se propageant à la vitesse de la lumière t3 Sol t1 t2 Temps d’impact au sol Coefficient directeur du plan • Paramètres reconstruits: • Temps d’impact T0 • Angle zénithal  • Angle azimutal  u,v 3 cuves minimum Erreur de mesure sur le temps Reconstruction SD Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  22. Signal en VEM 1000 Fonction latérale du signal 100 10 1 1000 2000 Distance à l’axe de la gerbe (m) Etape 2: Ajustement du signal (LDF) Ajustement du signal par une fonction semi-analytique obtenue à partir des simulations d’événement Signal à 1000m • Paramètres reconstruits: • S(1000) • cœur (x0,y0) 3 cuves minimum Distance cuve - axe de la gerbe Reconstruction SD Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  23. Etape 3: Courbure variable Prise en compte de l’évolution du front de particules durant la propagation de la gerbe par un front sphérique à courbure variable • Paramètres reconstruits: • Temps d’impact T0 • Angle zénithal  • Angle azimutal  • Rayon de courbure R à T0 Courbure variable 4 cuves minimum Armengaud, Maurin et al. Gap-Note 2003-108 Reconstruction SD Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  24. Signal en VEM 1000 100 10 1 1000 2000 Distance à l’axe de la gerbe (m) Réajustement Etape 4: Réajustement signal (LDF) N • Paramètres reconstruits: • S(1000) • cœur (x0,y0) Reconstruction SD Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  25. Estimation de l’énergie • Différentes LDF: • Haverah Park • Hypergéométriques • Auger • 2EXPO (proton ou photon) Ajustement de la LDF S. Vorobiov, G. Maurin, Gap Note 2005-022 S(1000) Hypothèse sur la nature du primaire Fonction semi-analytique de conversion () Biais si hypothèse fausse Energie Reconstruction SD Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  26. Résumé des performances  : erreur systématique  : résolution Energie (2EXPO) Angle 3D Position du coeur || < 5 %*   [15;25%] || < 5 m   50 m   1,5 E  1019 eV || < 5 m   30 m || < 5 %*   [10;15%]  < 1 E > 5.1019 eV * sans prise en compte des biais dus aux modèles Reconstruction SD Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  27. Critère d’identification: la densité de muons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  28. Densité de muons Corsika+QGSJet Densité de muons • = 40° Energie = 1020 eV Noyau de fer produit 30% de muons en plus qu’un proton dans les mêmes conditions (angles, énergie) Fer Photon Proton Distance à l’axe de la gerbe (m) Densité de muons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  29. Fer 1020eV m EM Proton 1020eV m EM + Signal moyen des muons plus grand que celui des photons et des électrons Signaux moyens dans une cuve Entre 800-1000m Muons peu diffusés  atteignent les cuves en premier Densité de muons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  30. La fonction Landau A  • Définie par: • A = Amplitude • = Position du pic • = Largeur  Le signal est ajusté par deux fonctions Landau Densité de muons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  31. VEM  EM 1200m Exemples d’ajustement VEM (moyenne entre les 3 PMTs) EM 600m  VEM  EM S Proton 0o-1020eV A Signaux lissés par une fenêtre glissante centrée de 5 bins pour la représentation 800m Densité de muons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  32. Paramètre A dégénéré Hypothèse sur la nature Paramètre S/Stot non dégénéré Choix du critère discriminant Erreur sur E fixée à 20% Erreur sur E fixée à 20% Erreur sur E fixée à 20% Erreur sur E fixée à 20% Densité de muons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  33. Application aux données • Sélection des événements: • Critères de qualité (T4) • nb cuves > 4 • Jan. 04 – avril 05 • Ep > 5 1018 eV •  2843 evt. Maurin et al. Gap-Note 2004-071 • Explications possibles: • Problème dans la simulation • Pas assez de muons dans les simulations de gerbes Densité de muons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  34. Section efficace d’interaction hadronique est extrapolée sur 6 ordres de grandeur Rapport de densité(par rapport à QGSJet) e Etudes sur accélérateur Sibyll  QGSJet QGSJet QGSJet produit 10-30% de muons en plus que les autres modèles Densité de muons des différents modèles Densité de muons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  35. Conclusion sur l’analyse des muons Résultat: • Signaux générés par les muons des événements réels ne sont pas compatibles avec ceux obtenus par simulation • Explications possibles: • Signal des particules mal simulé • Tester avec les nouveaux simulateurs du réseau de surface • + de muons dans les événements réels que dans les simulations • Autres modèles ne vont pas dans ce sens • Nouvelle version de CoRSiKa produit 5-15% de muons en plus • Etudier les densités de muons réelles (détecteurs de muons ?) Densité de muons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  36. Le rayon de courbure - Analyse hadronique Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  37. Courbure du front de gerbe Rayon de courbure Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  38. Dépendance en et E Application aux données log Ep[eV]  [18,6;19,4] Variable discriminante = Nombre d’écart standard par rapport à la distribution attendue des protons Rayon de courbure Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  39. Interpolation des simulations Ajustement de et de par des fonctions analytiques Fonction empirique Rayon de courbure Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  40. 1019 1018 1017 E [eV] Nombre d’écart standard moyen en fonction de l’énergie reconstruite • Sélection des événements: • Critères de qualité (T4) • nb cuves > 4 • Jan. 04 – août 05 •  [30,60] •  ~6500 evt. Fly’s eyes 1019 1019.5 1020 1018.5 Ep [eV] G. Maurin, Gap Note en cours • Transition lourd vers léger en accord avec les anciennes mesures • Plus de statistique  composition à ultra haute énergie Rayon de courbure Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  41. Application aux données [18.3;18.5] [18.5;18.7] [18.7;18.9] Log (Ep)  Proton Fer Auger Nb d’écart standard Noyaux lourds Noyaux légers Energie croissante Rayon de courbure Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  42. Applications aux données [18.3;18.5] [18.5;18.7] [18.7;18.9] Proton Fer Auger [18.9;19.1] [19.1;19.3] [19.3;19.5] Rayon de courbure Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  43. Conclusion sur l’analyse des courbures Résultats: • Transition noyaux lourds vers noyaux légers semble être confirmée • Plus de statistique va permettre une étude aux énergies extrêmes • Perspectives: • Etude des systématiques en prenant en compte les différents modèles hadroniques • Etude de la composition «exacte» en tenant compte des noyaux intermédiaires • Demandent de nombreuses simulations (temps de calcul très important) Rayon de courbure Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  44. Recherche de photons primaires dans les premiers événements Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  45. Limite supérieure sur le taux de photons primaires Comparaison directe entre le Xmax mesuré et ceux obtenus sur N simulations de photon dans les mêmes conditions (E,,) Xmax : profondeur où la gerbe atteint son maximum de développement Collaboration Auger, ICRC 2005 Pour E > 1019 eV : Collaboration Auger, ICRC 2005 Résultat obtenu par le groupe "photon" réunissant : APC, LPNHE, Leeds… Recherche de photons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  46. Processus secondaire: interactions photonucléaires  section efficace extrapolée A 1020 eV:   [0.5,15mb] Data < 1014 eV 70% de muons en + Les gerbes photoniques Création de paires (300mb) domine les autres processus Atmosphère M. Risse et al., Astro-ph/0502418 Recherche de photons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  47. L’incertitude sur la section efficace photo-nucléaire et l’effet LPM peuvent remettre en question les limites obtenues M. Risse et al., Astro-ph/0410739 L’effet LPM • Longueur d’interaction > distance moyenne entre atomes • L’approximation de Bethe-Heitler n’est plus valable • Interférences destructives qui diminuent les sections efficaces EM et retardent le développement des gerbes électromagnétiques • Effet non négligeable au-dessus de 5  1019 eV • Interactions photonucléaires deviennent relativement plus probables. Photons verticaux 3  1020eV Recherche de photons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  48. L’effet de Preshower Interaction des photons avec le champ magnétique terrestre :  création de paires e+e- dans la magnétosphère  génération de gerbe « haut » dans l’atmosphère Probabilité de conversion Photons verticaux 3  1020eV 7  1019 eV 5  1019 eV Probabilité de conversion: Champ magnétique terrestre impulsion du primaire 1.5  1020 eV 1020 eV X. Bertou et al., Astropart. Phys. Négligeable en dessous de 51019eV Recherche de photons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  49. Combinaison des deux effets  provenant du Nord  provenant du Sud • Les gerbes se développent tard dans l’atmosphère: • gerbes jeunes • surface faible au niveau du sol • énergie reconstruite sous estimée Effet de Preshower • Les gerbes se développent tôt dans l’atmosphère: • gerbes âgées • surface étendue au niveau du sol • énergie reconstruite importante Effet LPM Recherche de photons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

  50. Distribution azimutale des événements Janvier 2004 – Avril 2005 E[eV] > 51019 eV et  < 60 Nord Sud 5 21 S. Vorobiov, G. Maurin et al., Gap Note 2005-017 Recherche de photons Gilles Maurin, soutenance de thèse, 22/09/2005

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