CODALEMA

1. L’expérience CODALEMA à Nançay Didier Charrier et Lilian Martin Subatech, CNRS/Université de Nantes/ École des Mines de Nantes CODALEMA Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

2. Les groupes de recherche • SUBATECH Nantes (IN2P3, 2002) • LESIA - Observatoire de Paris-Meudon - Station de Radioastronomie de Nançay (INSU,2002) • Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire Orsay (IN2P3, 2004) • École Supérieure d’Électronique de l’Ouest Angers (2004) • Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie Grenoble (IN2P3, 2005) • Laboratoire d’Astrophysique de l’Observatoire de Besançon (INSU, 2006) • Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement Orléans (INSU, 2006) Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

3. Champs d’investigation de CODALEMA • Problématique principale : l’étude des rayons cosmiques d’ultra haute énergie. • Flux, Énergie, limite en énergie ? • Nature : proton, noyau ? • Distribution dans le ciel : isotropie, sources ? • Origines, Mécanismes de production et de propagation. Détection directe Solaire Galactique Confuse ou inconnue LHC@CERN Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

4. Développement d’une gerbe Proton de 1 TeV (1012 eV) au dessus de Chicago Maximo Ave, Dinoj Surendran, Tokonatsu Yamamoto, Randy Landsberg, and Mark SubbaRao created the following visualizations of showers created using Sergio Sciutto's AIRES package. http://astro.uchicago.edu/cosmus/projects/aires/ 5 x 5 x 20 km3 Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

5. Développement de la gerbe • Quelques ordres de grandeur à 1019eV • Énergie : 5.1019eV équivalent à 10 Joules soit 2g à 350km/h. • Flux : 1 événement par 50 km² et par an. Surface de détection de 1000 km² • Densité : entre 10 et 100 milliards de particules au sol. • Taille : empreinte de 20 km² (1 part/m² à 1.5 km de l’axe de la gerbe) Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

6. Techniques de détection • Une cascade de créations, désintégrations et annihilations de particules a lieu produisant un nombre très important de particules secondaires : détection et comptage des particules au sol. • Excès de charges négatives en mouvement et effets géoma-gnétiques sur les paires produites : induction d’un champ électrique. Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

7. Objectifs de CODALEMA • Développer et mettre au point une technique alternative aux mesures « particules » • Caractériser et quantifier l’émission radio associée à la gerbe : amplitude, extension, polarisation… • Corréler ces mesures aux informations extraites des détecteurs particules et donc à la gerbe et son rayon cosmique primaire • Concevoir et implanter un démonstrateur d’un réseau couvrant de l’ordre d’un km² : antenne, station autonome, centre de traitement des données… • Mesures impulsionnelles dans d’autres domaines Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

8. Le réseau déployé à Nançay (Janv. 2008) Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

9. Les instruments installés Station scintillateur Dipôle actif Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

10. Les instruments installés Instruments complètement câblés jusqu’au conteneur d’acquisition Dipôle actif Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

11. Les instruments installés Dans le conteneur Cartes de digitalisation (lecture par GPIB) PC d’acquisition Modules de déclenchement Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

12. Détecteurs « particules » : 17 stations de scintillateur plastique (~1m²) 5 stations centrales dans le système de trigger Reconstruction des information sur la gerbe Direction d’arrivée par triangulation Énergie par les amplitudes mesurées Antennes : 24 dipôles actifs large bande Échantillonnage à 1 GS/s sur 12 bits et 2.5 ms Utilisation en esclave (pour l’instant) Déclenchement : Multiplicité minimum 5 Taux de trigger : 8 evts/heure Acquisition sous LabView Les prises de données Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

13. La démarche expérimentale • Simulation théorique: Informations contenues dans la forme du signal • Amplitude (>1V/m) => énergie • Durée (~100 ns) => paramètre d’impact (b) • Forme d’onde => nature des particules Trajectoire gerbe b Ant. • Mesures expérimentales: • Evts rares (trigger~10-3 Hz) • Analyse temporelle du signal => Reconstitution de la trajectoire par triangulation entre plusieurs antennes • Analyse de l’amplitude =>Extraction de l’énergie du primaire Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

14. Forme attendue du spectre d’une gerbe Datation: t Seuil : n. Pleine bande Bruit : Tagging en temps et amplitude Bande filtrée Technique de détection des transitoires Nançay 1-120 MHz Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

15. Analyse d’événement : signaux en temps E~1018eV 23-130 MHz Est Nord Sud Ouest Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

16. Analyse d’événements : spectres en fréquence Nord Sud Est Ouest Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

17. Analyse d’événements : profil latéral Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

18. “Antennas” direction – “Particles” direction sin().Gaussian  = 4° Corrélation des directions d’arrivée La reconstruction de la direction d’arrivée des gerbes atmosphériques est confirmée par la détection radio Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

19. Asymétrie des directions d’arrivée Reconstruction « antennes » Reconstruction « particules » Il manque des événements au Sud Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

20. Perspectives • Encore beaucoup de zones à défricher : • Corrélation Énergie et champ électrique • Comprendre l’asymétrie Nord-Sud dans les taux de comptage • Mesurer et caractériser les autres polarisations • (Re)-Installer un trigger radio en parallèle • Caractériser l’environnement radio • Déterminer finement des coupures en fréquence pour le trigger • Préparer le déploiement d’antennes autonomes Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

21. Transparents supplémentaires Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

22. Diagramme d’Hillas Origine & nature des cosmiques Bottom - Up Accélération par un phénomène astrophysique (ex : mécanisme de Fermi) Composition: p, Fe,… Top - Down Désintégration ou annihilation d’une particule “X” (défauts topologiques, Particule, relique du Big Bang …) • distribution dans le ciel • (ciel isotrope? sources ?) Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

23. Identifiés en 1970 • Excès de charge ~ 10% e- /e+ - • Effet géomagnétique F=qVxB moment dipolaire - + • Courant transverse d’alimentation du dipôle - + Le champ électrique des gerbes Champ proche de l’axe de la gerbe (~100 m): Cerenkov + synchrotron + variation de charge - impulsions rapides (~10 ns) Champ loin de l’axe de la gerbe (~km): Coulombien + courant dipôle - impulsions lentes (> 100 ns)  Emission Synchrotron • Ve > c  Emission Cerenkov Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

24. Potentialité de l’approche « formes d’ondes » • L’analyse simultanée de toutes les informations • Analyse de la forme d’onde: Amplitude, Spectre en fréquence, forme du transitoire • Numériseurs jusqu’à 2 GS/s facilement disponibles. (actuellement jusqu’à 8 GS/s & 128 MPoints) • Analyse par TF • Signature du transitoire signal: composantes larges bandes • Méthode on/off instantanée • Fit du spectre de fréquence => par ITF=> forme d’onde • Autres Méthodes • Filtre LPC • Ondelettes • => Mécanismes d’émission => physique de la source Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

25. Recherche des impulsions • Impulsion => Signal à durée finie • x(t)=t.exp(-t/tau) • => spectre large bande • Filtre 0.5-5MHz • Forme du transitoire • beaucoup de puissance • => énergie • Filtre 35-65MHz • front de montée • peu de puissance • => information temporelle x10 Mais le signal réel est dans du bruit: capteur, RFI, signal galactique, etc… Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

26. Waveform Recovery at large Band Extraction via Linear Predictive Coeficients (Adaptative optimal filtering) Signal (noise+ pulse) Better than FFT  shape analysis  time resolution ~ns Remaining signal + Wavelet analysis for time tagging Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

27. DAM sun survey 15/01/05 & 02/06/06 Triangulation performances (1) solar flare in active region AR10720 on 2005 Jan. 15 Solar flair Standard deviation of received power versus time Normal day Night Night Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

28. IG11 ID32 IA1 ID98 ITrigger Triangulation performances (2) Principle of the triangulation Reconstructed directions versus sun ephemerids Distribution of the Residues Direction accuracy s = 0.74 ° Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

29. Sources en radio : un environnement chargé Trigger radio Front d’onde plan reconstruit à partir des signaux antennes des sources plus difficile à caractériser   des sources statiques diffuses où ponctuelles des sources clairement en mouvement Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

30. Sources radio : un environnement varié Des taux de trigger et des durées d’émission variés dans le temps Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

31. Sources radio : un environnement à préciser Une triangulation possible (onde sphérique) Des formes d’onde atypiques et variées Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

32. Des spectres variables Évolution du spectre en fréquence à basse fréquence en fonction du temps Minuit Ondes courtes en AM Midi Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

33. Émission radio induite • Une cascade de création, désintégration et annihilation de particules a lieu et produit un nombre très important de particules secondaires dont certains atteignent le sol. • Création de lumière Tcherenkov le long de la trajectoire de la gerbe. • Phénomène de fluorescence avec l’azote de l’atmosphère. Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008

34. Objectifs de CODALEMA • Investiguer les possibilités de mesures impulsionnelles dans d’autres domaines • Astroparticules, astronomie (neutrinos, pulsar,…) • Physique de l’atmosphère (orage, elfe, sprite, blue jet, X ray flash,…) • Détection des signaux anthropiques (avion,…) Didier Charrier et Lilian Martin, Nancay 04 Mars 2008