Tomographie du Puy-de-Dôme à l’aide des muons atmosphériques

1. Tomographie du Puy-de-Dôme à l’aide des muons atmosphériques Samuel BÉNÉ Simulation des gerbes atmosphériques et du détecteur ToMuVol

2. Plan • Présentation de l’expérience ToMuVol • Problématique et objectifs du stage • Simulation des gerbes atmosphériques • Modélisation du détecteur dans GEANT4 • Estimation du bruit des coïncidences accidentelles

3. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences ToMuVolTOmographieMUonique des VOLcans • Tomographier le Puy-de-Dôme avec les muons atmosphériques • Intérêt : comprendre la structure et la formation du volcan. Application aux volcans actifs : signaler les éruptions imminentes et prédire leur dangerosité • Trois laboratoires : • Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC) • Laboratoire Magmas et Volcans • Institut de Physique Nucléaire de Lyon • Partenariat entre physiciens des particules, géophysiciens, volcanologues, informaticiens et même mathématiciens ! Proches du P.d.D.

4. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Contexte physique Muons cosmiques ϕ0(Eμ,α,h) ϕ(α,r(α,β)) Z (verticale locale) A=0.701 γ=2.715 R(α,β) Détecteur Y β α X • En première approximation : ρ(r,α,β) : densité intégrée du volcan le long du parcours du muon Mesurer N/N0 permet d’accéder à la densité moyenne du volcan

5. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Détecteur ToMuVol • Détecteur à gaz : 4 chambres GRPC en mode C.P. qui mesurent les positions des muons dans le plan (x,y). • Système de coordonnées pour la reconstruction de trajectoires : • Oy = verticale locale • Puy-de-Dôme à z<0 • Résolution temporelle = 400 ns pour le moment • Résolution angulaire = R/d = 1cm/1m=10 mrad • Résolution spatiale sur le Puy-de-Dôme à 1km = 10 m 10m R=1cm 10 mrad d=1km d=1m

6. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Campagnes de mesures • 2 sites : la grotte de la Taillerie et l’auberge du Col de Ceyssat • Estimations des flux de muons mesurés : Col de Ceyssat Grotte Taillerie 1 day 1 day 1 week 1 week 1 month 1 month 1 year 1 year Flux mesurétrèsfaiblevers la base du volcan : <0.01/(jour.deg2)

7. Problématique et objectifs • La qualité de la tomographie dépend entre autres de : • La connaissance du flux de muons atmosphériques incident sur le volcan • La contamination du signal par le bruit de fond • Objectifs du stage : • Participer aux simulations informatiques des gerbes et du détecteur • Etudier le bruit de fond dû aux coincidences accidentelles grâce à ces simulations

8. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Gerbesatmosphériques Rayon cosmique primaire : ~ 88% p | 10% He | 1% noyaux lourds | 1% e-/+ Collision avec un atome de l’atmosphère → hadronique inélastique π, K, p, … Particules secondaires énergétiques • Cascades électromagnétiques et hadroniques • Muons créés par : • π+- → μ+- ʋμ (B.R. ~100%) • K+- → μ+- ʋμ(B.R. ~64%) • K0 → π+-μ+- ʋμ (B.R. ~27%) • γ→μ+μ- (très faible) γ μ π ν e- e+ μ γ e- e+ e+

9. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Outils de simulation • CORSIKA • Développé pour la simulation des gerbes • Référence dans ce domaine • GEANT4 • Utilisé dans un grand nombre d’expériences • Tout l’environnement est défini par l’utilisateur • Polyvalence (interactions dans le volcan, le détecteur,…) Précision de CORSIKA pour θ>85° pas établie Simulation des gerbes dans GEANT : OK à priori (Interactions particules/matière ≡ Calorimètres) Simulation des gerbes, du volcan et du détecteur dans le même code GEANT4

10. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Simulation des gerbesdans GEANT4 • Simulation en cours de développement, pour le moment : • Atmosphère : OK →1960 couches d’air, de 0 à 120km • Processus physiques : OK (jusqu’à 100 TeV) → liste QGSP_BERT • Rayons cosmiques primaires : protons verticaux E = 1, 10, 100 TeV • Champ magnétique de la Terre à inclure • En sortie : informations sur le flux de particules à z=870m Objectif : validation de GEANT4 pour la simulation de gerbes atmosphériques à haute energie γ→μ+μ- manquant : ajouté au cours du stage

11. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Comparaisons avec CORSIKA • Comparaison des profils spatiaux-temporels et en énergie des muons à z=870m • Données CORSIKA de référence à partir d’un spectre de R.C. • Gerbes sélectionnées pour les comparaisons : • Coupure Eμ>10GeV pour négliger les effets du champ magnétique terrestre CORSIKA GEANT4 Protons 0.9EG4<ECORSIKA<1.1EG4 ΘCORSIKA<10° Protons EG4=1,10,100 TeV ΘG4=0° atmosphère 10°

12. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Comparaisons avec CORSIKA • Distributions latérales : r = distance par rapport à la position moyenne des muons de chaque gerbe dans le plan z=870m N/Ntot N/Ntot Eμ>10GeV Bon accord entre GEANT4 et CORSIKA r2 (m2) r2 (m2)

13. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Comparaisons avec CORSIKA • Distributions en énergie des muons N/Ntot N/Ntot Eμ>10GeV Bon accord entre GEANT4 et CORSIKA E(GeV) E(GeV)

14. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Comparaisons avec CORSIKA • Distributions temporelles : t = temps d’arrivée des muons dans le plan 870m par rapport au temps moyen des muons dans chaque gerbe N/Ntot N/Ntot Eμ>10GeV Différences significatives → à investiguer t (ns) t (ns)

15. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Origine des muonsdans GEANT4 N/gerbe N/gerbe t (ns) t (ns)

16. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Coïncidencesaccidentelles • Plusieurs particules peuvent traverser les plans de détection en coïncidence spatio-temporelle : Gerbeatmosphérique • Reconstruction d’une “fausse” trace • Source principale de bruit de fond pour la tomographie

17. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Simulation d’un flux réaliste de R.C. + détecteur • Protons + He • 10GeV<E<4000TeV • 0<θ<85° • 0<φ<360° CORSIKA GEANT4 Z=120km Z=870m • Gerbes CORSIKA au niveau z=870m tirées une par une sur le détecteur dans GEANT4

18. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Modélisation du détecteur • DétecteurToMuVoltelqu’ilestsimulédans GEANT4 : 4 plans de 1m2, 28.5cm d’espacement 96 x 28.5cm Mylar - Graphite - Verre Freon +SF6+isobutane ~2 a 5% • Surface élémentaire de détection : blocs de cuivre de 1 cm2 • “Sensitive Detector” dans G4 Verre - Graphite - Mylar Cuivre + PCB + Electronique

19. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Reconstruction de traces Event GEANT4 Collection de coups • Recherche du coup de plus haute energiedéposéedanschaquechambretouchée → position et temps pour chaque coup • EtalementGaussien de la position pour reproduire la multiplicitéexpérimentale pour les traces de muons (1,3 blocs) Reconstruction de la trace (moindrescarrés) →point d’impact et pente (ax,ay) • Au moinsdeuxchambrestouchéesdansunefenêtre de 400 ns ?

20. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Reconstruction des vraies traces muon • Bon accord avec les distributions théoriques

21. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Reconstruction des vraies traces

22. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Traces reconstruitesàpartir des coincidences accidentelles

23. Présentation de l’expérience Simulation des gerbes Modélisation du détecteur Simulation des coïncidences Taux de réjection des coïncidences 95% C.L. • Résolution du détecteurToMuVol : 1cmx1cm à comparer avec 10cmx10cm (Tanaka) • Meilleureréjection des coïncidences

24. Conclusions et perspectives • Les gerbesverticalesproduites avec GEANT4 ontpuêtrecomparées avec les resultats CORSIKA, du point de vue des muons, à z=870m : • Bon accord sur les distributions latérales et en énergie • Divergence sur les distributions temporelles • Une première estimation du bruit de fond dû aux coïncidencesaccidentelles a étérealisée, grâce à la modélisation du détecteurdans GEANT4. • Le choix de 4 plans de detection estconfirmé • La génération d’un flux réaliste de muonscosmiques, incluant les gerbeshorizontale, peutêtredirectementrealiséedans GEANT4 • Utilisation d’un logicielspécialisé pour l’interactionprimaire ?