Détection hybride des rayons cosmiques d'ultras-hautes énergies avec l'observatoire Pierre Auger

Hybrid detection of ultra-high energy cosmic rays with the Pierre Auger observatory

• Auteur / Autrice : Nathalie Playez
• Direction : Marcel Urban
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astroparticules
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Résumé

Conçu pour mieux comprendre l'origine des rayons cosmiques aux ultra-hautes énergies, l'Observatoire Pierre Auger a commencé une période de prise de données devant s'étendre sur 20 années. Il pourra ainsi obtenir une statistique suffisante aux plus hautes énergies, pour déterminer l'existence ou non de la coupure GZK. Utilisant simultanément deux techniques de détection des gerbes atmosphériques, l'une au sol et l'autre par détection de la lumière de fluorescence, il devrait permettre de déterminer avec une précision sans précédent, aussi bien l'énergie de ces rayons cosmiques que leurs directions d'arrivée et leur nature. Apres une introduction sur les propriétés générales des rayons cosmiques, les modes de production aux plus hautes énergies sont présentes. Nous nous sommes ensuite attachés à un modèle particulier de production, considérant la désintégration de particules super massives reliques, le but étant de déterminer des contraintes sur les temps de vie de ces particules. Après avoir présenté les principes de détection des gerbes atmosphériques et l'Observatoire Pierre Auger, nous considérons la méthode hybride de détection : la mise en place d'une chaine de simulation et la realisation de tirs lasers hybrides ont permis de determiner les performances associées à ce type de détection ainsi que de vérifier la cohérence en temps des horloges des deux détecteurs, essentielle à la méthode utilisée. Enfin, les données de la phase de preproduction ont permis de vérifier les performances des différents types de reconstruction : par le détecteur de fluorescence seul, le detecteur au sol et par la méthode hybride. A partir de ces données, une première comparaison des énergies ainsi qu'une analyse des anisotropies ont été réalisées.

Especially designed for a better understanding of the origin of the Ultra-High Energie Cosmic Rays (E>1019 eV), the Pierre Auger Observatory is now starting a period of data taking expected to last of 20 years. It will obtain enough statistics at the highest energies to determine wether or not the GZK cut-off exists. Using simultaneously two atmospheric shower detection techniques, the first at ground level and the second detecting the fluorescence light, it should make it possible to determine the energies as well as the arrival directions and nature of these particules with better accuracy. After an introduction covering the general properties of cosmic rays, the production mecanisms at the highest energies are presented. We then focus on one particular mechanism of production, considering the decay of ultra-heavy relic particules, the aim being to determine limits on the life-time of such particles. After having presented air-showers detection techniques and the Pierre Auger Observatory, we consider hybrid detection: hybrid simulation and analysis of hybrid laser shots have allowed us to evaluate the performance of this method. They also have made it possible to investigate the relative timing of both detectors which is essential for the considered technique. Finally, the data recorded during the Preproduction period have allowed us to check the precision of different detections:the surface detector alone, the fluorescence detector alone and the hybrid method. Thanks to these data, a preliminar comparison of energy values and an analysis of the arrival directions anisotropies have been done.