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


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 - Collège de France


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

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


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

Spectre des Rayons cosmiques (1)

100 km/h !!

Observationdirecte


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

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


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

Spectre des Rayons cosmiques (2)

Coupure

GZK


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

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…


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

Bottom - Up

Nature des rayons cosmiques primaires (1)

  • Mécanismes astrophysiques violents :

  • Noyaux Actifs de Galaxies

  • Super Novae…

 Signature:

Particules primaires = particules chargées(proton, noyaux)


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

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


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

Front de particules

Formation des gerbes atmosphériques

Rayon

cosmique

Première

Interaction

Formation de

la cascade

électromagnétique


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

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


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

Le réseau de surface

1,5 km


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

~ 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


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

La discrimination

Simulation rapidedes signaux

Simulation degerbes atmosphériques

Identification decritères de discrimination

Densite de muon, Rayonsde courbure, Xmax…

Etude statistique

Corrélationdes critères

Analysemultidimensionnelle


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

Densité de muons au sol

  • Environ 30% de muons en plus pour les fer que

    pour les protons (à même énergie)


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

Différences géométriques Proton - Fer


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

Le détecteur de fluorescence

Xmax

signal

Nmax

t


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

Xmax photon - proton – fer

1020 eV

vertical

1020 eV


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

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…


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

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)


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

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)


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

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


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

Le facteur de mérite

Paramètres de discrimination

Valeur moyenne(100 showers)

s1

s2

m2

m1

M=0.5

M=1

M=1.5


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

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


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

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


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

Facteur de mérite du Xmax

Xmax mesure exacte

Xmax à 30g/cm2

A tout angle


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

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


Nature des rayons cosmiques d ultra haute energie uherc

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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