Recherche de sources et d

1
Thèse de doctorat
 Recherche de sources et danisotropies dans le
rayonnement cosmique dultra-haute énergie au
sein de la collaboration Auger 
Benjamin Rouillé dOrfeuil sous la direction de
Jean-Christophe Hamilton
jeudi 21 juin 2007
LPNHE
2
Structure de lexposé

• Rayons Cosmiques (RCs) et Rayons Cosmiques
  Ultra-Énergétiques (RCUEs)
• Observation des RCUEs et Observatoire Pierre
  Auger

• Couverture du ciel
• Variations temporelles du flux dévénements

• Anisotropies à basse énergie
• Anisotropies à haute énergie

• Echelle en énergie de lObservatoire Pierre
  Auger
• Mesure du spectre dénergie des RCUEs

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• Rayons Cosmiques (RCs) et Rayons Cosmiques
  Ultra-Énergétiques (RCUEs)
• Observation des RCUEs et Observatoire Pierre
  Auger

• Couverture du ciel
• Variations temporelles du flux dévénements

• Anisotropies à basse énergie
• Anisotropies à haute énergie

• Échelle en énergie de lObservatoire Pierre
  Auger
• Mesure du spectre dénergie des RCUEs

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Les RCs
Particules chargées
spectre en loi de puissance et  fond diffus  de
RCs quasi isotrope
sur 10 ordres de grandeur en E
accélération ondes de choc propagation
champs magnétiques
Observatoire Pierre Auger RCs gt 1018 eV
5
Transition galactique - extragalactique

• Schéma possible
• galactique
• E lt 1017.6 eV (2nd genou)
• extragalactique
• E gt 1018.5 eV (cheville)

6
Sources des RCUEs
Diagramme de Hillas Accélération limitée par
léchappement borne supérieure sur Emax rL
E/(Z.B) lt L
taille du site accélérateur
rayon de Larmor

• Ne sont pas pris en compte
• mécanisme daccélération
• pertes dénergie

Sources exotiques Modèles top-down
défavorisés par lObservatoire Pierre Auger
(fraction de photons)
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Coupure GZK
Scénario similaire pour les noyaux Interaction
avec IR et CMB photo-dissociation Coupure
équivalente à GZK attendue
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• Rayons Cosmiques (RCs) et Rayons Cosmiques
  Ultra-Énergétiques (RCUEs)
• Observation des RCUEs et Observatoire Pierre
  Auger

• Couverture du ciel
• Variations temporelles du flux dévénements

• Anisotropies à basse énergie
• Anisotropies à haute énergie

• Échelle en énergie de lObservatoire Pierre
  Auger
• Mesure du spectre dénergie des RCUEs

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Observation des RCUEs
Situation expérimentale confuse E gt 1 EeV

• flux extrêmement faible
• détection indirecte des RCUEs
• - télescopes de fluorescence (FD)
• réseau de détecteurs au sol (SD)

Observatoire Pierre Auger détecteur
hybride grande surface de détection
10
AUGER SUD
Observatorio Pierre Auger Av. San Martín Norte
304 Malargüe, (5613) Mendoza Argentina
SD 3 000 km2 1 600 cuves Cerenkov maille
triangulaire de 1.5 km de côté
FD 4?6 télescopes de 440 PMTs champ de vue
30?30
11
Reconstruction SD
Log Signal VEM
Direction
Résolution angulaire 1 à 10 EeV

• Estimation de lénergie
• S(1 000) fE, ?, w, X
• soit simulations hypothèse sur la nature
• soit calibration via les événements hybrides

12
Reconstruction hybride
Résolution angulaire 0.5
Systématiques importantes sur lestimation de
lénergie (25) rendement de fluorescence
(15) atténuation atmosphérique (aérosols
10) surveillance de latmosphère
Cycle utile de détection 10
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• Rayons Cosmiques (RCs) et Rayons Cosmiques
  Ultra-Énergétiques (RCUEs)
• Observation des RCUEs et Observatoire Pierre
  Auger

• Couverture du ciel
• Variations temporelles du flux dévénements

• Anisotropies à basse énergie
• Anisotropies à haute énergie

• Échelle en énergie de lObservatoire Pierre
  Auger
• Mesure du spectre dénergie des RCUEs

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Couverture du ciel fond de RCs
Événements
Couverture
Différence
-

simulation

• Probabilité de détecter à linstant t un RC dans
  la direction (? , ?) acceptance
• ? développement de la gerbe
• ? empreinte au sol de la gerbe lt pas du réseau
• t stations actives, conditions météorologiques

Acceptance géométrique
Acceptance temporelle
Carte de couverture
ICRC 2005
15
Acceptance en ?
Crucial ne pas être contaminé par une
anisotropie sur le ciel
La distribution en ? nest pas sensible à une
anisotropie sur le ciel
16
Acceptance en ?
structure hexagonale du SD et empreinte au sol de
gerbes de faible E et grand ?
17
Acceptance temporelle

• Effet instrumental simulation
• modulation journalière (UTC)
• modulation saisonnière (JD)

simulation
18
Comparaison
Méthode traditionnelle scrambling
Nombreuses comparaisons au scrambling effectuées
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• Rayons Cosmiques (RCs) et Rayons Cosmiques
  Ultra-Énergétiques (RCUEs)
• Observation des RCUEs et Observatoire Pierre
  Auger

• Couverture du ciel
• Variations temporelles du flux dévénements

• Anisotropies à basse énergie
• Anisotropies à haute énergie

• Échelle en énergie de lObservatoire Pierre
  Auger
• Mesure du spectre dénergie des RCUEs

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Variations temporelles du flux dévénements
Nombre de stations actives

• Effets météorologiques
• développement longitudinal pression âge de la
  gerbe
• développement latéral densité rayon de Molière

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Filtrage atmosphérique
rM doit être évalué 2 X0 au-dessus du
sol déterminer ? à partir de ?
Pour les échelles temporelles gt 24h
? et ? varient en phase
Variations diurnes du gradient de T
Paramétrisation
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Validation
Comparaison des résultats expérimentaux avec les
modèles et les simulations
Impact sur la carte de couverture
ICRC 2007
pas un effet du second ordre
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• Rayons Cosmiques (RCs) et Rayons Cosmiques
  Ultra-Énergétiques (RCUEs)
• Observation des RCUEs et Observatoire Pierre
  Auger

• Couverture du ciel
• Variations temporelles du flux dévénements

• Anisotropies à basse énergie
• Anisotropies à haute énergie

• Échelle en énergie de lObservatoire Pierre
  Auger
• Mesure du spectre dénergie des RCUEs

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Aux alentours de 1 EeV
Origine des sources de RCUEs juste en-dessous de
la cheville galactique ? ou extragalactique ?
Galactique Déflection par BG suffisamment
faible de la composante galactique du RCUE
anisotropies aux grandes échelles de lordre du 
est concevable
Extragalactique Distribution cosmologique des
sources de RCUEs pas danisotropies aux grandes
échelles attendues
25
Structure vue par AGASA

• Expérience japonaise réseau de détecteurs au
  sol
• Carte dexcès a posteriori dans la bande
  dénergie EAGASA 1018, 1018.4 eV
• Carte de couverture invariante en RA

AUGER dans la même fenêtre
Carte dexcès Nobs/Nexp dans une fenêtre de 20
26
Grandes échelles angulaires avec AUGER
Grand nombre dévénements de basse énergie (100
000 événements) Carte de couverture précise
et
Recherche de structures damplitude 1

• 1er réflexe
• analyse harmonique en RA
• ajustement dun dipôle

études limitées
avec
27
Résultats
Spectre de puissance angulaire
Rien à signaler
28

• Rayons Cosmiques (RCs) et Rayons Cosmiques
  Ultra-Énergétiques (RCUEs)
• Observation des RCUEs et Observatoire Pierre
  Auger

• Couverture du ciel
• Variations temporelles du flux dévénements

• Anisotropies à basse énergie
• Anisotropies à haute énergie

• Échelle en énergie de lObservatoire Pierre
  Auger
• Mesure du spectre dénergie des RCUEs

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Petites échelles angulaires

• Clustering dAGASA
• 57 événements EAGASA gt 40 EeV
• 5 doublets et 1 triplet

3 premiers bins 7 paires observées pour 2.2
attendues (P 0.75)
de nombreuses annonces de corrélations avec des
objets astrophysiques
30
Politique de lOPA les prescriptions
Le nombre de RCUEs dans chaque pixel suit une loi
de Poisson Observation dun grand nombre de
directions indépendantes
Excès à plusieurs ? attendus lors dune recherche
aveugle

• Document fixant a priori
• période de temps utilisée
• intervalle en énergie
• cibles astrophysiques
• probabilité limite

Aucun facteur de pénalité statistique à calculer
Mis en place par lOPA suite aux multiples
annonces de sources de RCUEs
31
Résultats
Résultats des prescriptions de 2003
ICRC 2005
Rien à signaler
Recherche aveugle dexcès pour rechercher des
candidats
32
Fonction de corrélation à 2 points
Ce (?) histogramme des séparations angulaires
des paires dévénements
Polynômes de Legendre
33
Coverage Anisotropy Toolkit
http//apcauger.in2p3.fr/Protected/Toolkit/
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• Rayons Cosmiques (RCs) et Rayons Cosmiques
  Ultra-Énergétiques (RCUEs)
• Observation des RCUEs et Observatoire Pierre
  Auger

• Couverture du ciel
• Variations temporelles du flux dévénements

• Anisotropies à basse énergie
• Anisotropies à haute énergie

• Échelle en énergie de lObservatoire Pierre
  Auger
• Mesure du spectre dénergie des RCUEs

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Principe détection hybride des RCUEs

• FD
• mesure quasi calorimétrique de lénergie ()
• erreurs systématiques sur lénergie mesurée
  25 (-)
• cycle utile de détection 10 (-)
• calcul subtil de lacceptance (-)

• SD
• E dépend des simulations (-)
• cycle utile de détection 100 ()
• calcul simple de lacceptance géométrique E gt
  Esat ()

Échelle en énergie du FD Statistique du SD
Calibrer le SD avec le FD à laide des événements
hybrides
36
Courbe datténuation
développement des gerbes dans latmosphère
S(1 000) fE, ?, w, X
corriger atténuation
Au-delà de Esat 3 EeV
37
Calibration
Nombre dévénements
Biais systématique sur ESD attendu
ESD EeV 10A ? (S38)B
lt XSD gt ? lt XFD gt X variables détat de
latmosphère
38
Effets atmosphériques
Loi de calibration corrigée
Corriger S38 des effets météorologiques
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• Rayons Cosmiques (RCs) et Rayons Cosmiques
  Ultra-Énergétiques (RCUEs)
• Observation des RCUEs et Observatoire Pierre
  Auger

• Couverture du ciel
• Variations temporelles du flux dévénements

• Anisotropies à basse énergie
• Anisotropies à haute énergie

• Échelle en énergie de lObservatoire Pierre
  Auger
• Mesure du spectre dénergie des RCUEs

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Spectre dénergie des RCUEs
41
Récapitulatif
couverture du ciel
variations temporelles du flux dévénements
rechercher des anisotropies et Coverage
Anisotropy Toolkit
échelle dénergie corrigé des effets
atmosphériques et spectre dénergie