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Nature des Rayons Cosmiques d’Ultra Haute Energie (UHERC)

Nature des Rayons Cosmiques d’Ultra Haute Energie (UHERC). Gilles Maurin Directeur de thèse : J.M. Brunet. PCC & APC - Coll è ge de France. Plan. Problématique d’Auger : Importance de l’identification de la nature du primaire ? L’Observatoire Pierre Auger :

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Nature des Rayons Cosmiques d’Ultra Haute Energie (UHERC)

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Presentation Transcript

  1. Nature des Rayons Cosmiques d’Ultra Haute Energie (UHERC) Gilles Maurin Directeur de thèse : J.M. Brunet PCC & APC - Collège de France

  2. Plan • Problématique d’Auger : • Importance de l’identification de la nature du primaire ? • L’Observatoire Pierre Auger : • Méthodes de détection, état actuel • Méthodes de discrimination : • Xmax, densité de muons, rayon de courbure… Etude multidimensionnelle

  3. Spectre des Rayons cosmiques (1) 100 km/h !! Observationdirecte

  4. Les sources doivent être proches ! Coupure GZK Greisen, Zatsepin, Kuzmin Interaction des hadrons avec le fond de photons à 3K (CMB) Eseuil = 70 EeV Longueur d’interaction : 6 Mpc Perte d’énergie par collision : 20% protons

  5. Spectre des Rayons cosmiques (2) Coupure GZK

  6. Questions ??? • Quelle est leur énergie ? • Energie supérieure à la coupure GZK ? • D’où viennent-ils ? • coupure GZK  sources proches de nous  100Mpc • Quelle est la nature de ces rayons cosmiques ? • p, n, , noyau, neutrino…

  7. Bottom - Up Nature des rayons cosmiques primaires (1) • Mécanismes astrophysiques violents : • Noyaux Actifs de Galaxies • Super Novae…  Signature: Particules primaires = particules chargées(proton, noyaux)

  8. Top-Down Nature des rayons cosmiques primaires (2) • Désintégration, annihilation… • d’une particule “X” : • Défauts Topologiques (cordes, monopôles...) • Particules métastables reliques du Big-Bang  Signature: Particules primaires = protons, photons et neutrinos

  9. Front de particules Formation des gerbes atmosphériques Rayon cosmique Première Interaction Formation de la cascade électromagnétique

  10. Front de particules Typiquement au maximum de la gerbe : 600  109 photons 60  109 électrons 0.6  109 muons (gerbe a 1020 eV ) Excitation du diazote de l’air  émission isotrope de photons UV Détecteur de Fluorescence

  11. Le réseau de surface 1,5 km

  12. ~ 60 km Grande statistique : Large surface de détection 3000 km2 / site ~ 60 km L’Observatoire Pierre Auger Couverture complète du ciel : Un site par hémisphère Argentine, États-Unis • Détection hybride : • Deux techniques de détection • Réseau de surface : 1600 cuves Čerenkov / site (espacement 1,5 km) • Fluorescence : 3 ou 4 télescopes par site Aujourd’hui :240 cuves et 3/6 baies par télescope (nov. 2003) Observation du premier événement stéréo hybride

  13. La discrimination Simulation rapidedes signaux Simulation degerbes atmosphériques Identification decritères de discrimination Densite de muon, Rayonsde courbure, Xmax… Etude statistique Corrélationdes critères Analysemultidimensionnelle

  14. Densité de muons au sol • Environ 30% de muons en plus pour les fer que pour les protons (à même énergie)

  15. Différences géométriques Proton - Fer

  16. Le détecteur de fluorescence Xmax signal Nmax t

  17. Xmax photon - proton – fer 1020 eV vertical 1020 eV

  18. Conclusion • Etude des gerbes atmosphériques : •  Définition et étude des critères de discrimination • Développement en cours : Traitement du signal = compter muons Reconstruction complet d’évènement Etude de l’effet de lareconstruction Simulationde gerbes Analyse multidimensionnelle& composition UHERC SDSim + Reconstruction Progrès fait en cours Futur…

  19. 1ère interaction n 2n±   e e e e   e e Xmax Nmax Cascade de nucléons Cascade de pions Cascade EM Désintégration ± Hadrons près du coeur     e e e    z Formation des gerbes Sol 90% de  (>50 keV) 9% d’électrons (>250 keV) 1%  (>1 GeV)

  20. Rayon de courbure en km Rayon de courbure Proton - Fer Le rayon de courbure du fer est plus grand que celui du proton. (à même énergie)

  21. Etude multidimensionnelle Facteur discriminant = Combinaison linéaire Proton Iron i ajustés pour maximiser le facteur de mérite Facteur de mérite  2  Discrimination gerbe a gerbe possible sur une partie de la population

  22. Le facteur de mérite Paramètres de discrimination Valeur moyenne(100 showers) s1 s2 m2 m1 M=0.5 M=1 M=1.5

  23. Facteur de mérite : Comparaison (1) Muon density (accuracy = 10%) Radius Curvature T80 Rise Time T80 Xmax (accuracy = 30g.cm-2) Muon density (accuracy = 20%) Mesure de la densité de muon est le meilleur critèrede discrimination à 20o

  24. Muon density (10%) Radius Curvature T80 Rise Time T80 Xmax (30g.cm-2) Muon density (20%) Facteur de mérite : Comparaison (2) Rayon de courbureest le meilleurdiscriminant à 40o

  25. Facteur de mérite du Xmax Xmax mesure exacte Xmax à 30g/cm2 A tout angle

  26. SD : Reconstruction en temps Front de particules A partir de ces temps : reconstruction de ladirection d’arrivée etde la forme du frontde la gerbe. T2 T3 T4 T1 1,5 km

  27. Photon Electron Muon Signal déposé par les muons Signal dans les cuves Exemple : signal enregistré par les 3 PM : Loin du cœur de la gerbe Effet Cerenkov Proche du cœur de la gerbe

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