Simulation et détection du rayonnement cosmique : production d'antimatière dans l'atmosphère et étude de l'imageur Cherenkov annulaire de l'expérience AMS

Simulation and detection of cosmic rays : production of light antimatter in the atmosphere and study of the Ring Imaging CHerenkov detector of the AMS experiment.

• Auteur / Autrice : Bruny Baret
• Direction : Michel Buénerd
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble, Isère, France ; 1971-2015)

Résumé

Cette thèse porte sur l'étude du rayonnement cosmique nucléaire chargé d'énergie comprise entre quelques centaines de MeV et 1 TeV. Celle-ci peut apporter des réponses à des questions aussi fondamentales que l'asymétrie primordiale entre matière et antimatière, la nature de la matère sombre ou la propagation du rayonnement cosmique. L'étude de ces phénomènes passe par la détection d'antimatière légère. Or l'interaction du rayonnement cosmique au voisinage de la Terre conduit à la production et au piégeage de particules secondaires. Ce travail vise à caractériser cette dernière composante de bruit physque pour des expériences ballons ou sattellites. Ceci a été mené à bien grâce à une simulation Monte-Carlo tridimensionnelle prenant en compte de manière réaliste les intéractions nucléaires. Cette étude montre en particulier l'importance du phénomène de piégeage magnétique et de l'intéraction inélastique non-annihilante pour les antiparticules présentes à 400 km d'altitude. La deuxième partie porte sur l'étude de l'imageur annulaire Cherenkov de l'expérience AMS qui permettra d'effectuer une séparation isotopique du rayonnement cosmique nucléaire chargé. La résolution en vélocité du détecteur a donc été étudiée lors de tests cosmiques et sous faisceau. Il en ressort que le détecteur est compris et que ses performances sont conformes aux attentes. Enfin, un travail de simulation prenant en compte le trigger et l'efficacité de détection d'AMS a été entrepris sur le rapport isotopique 10Be/9Be qui montre les capacités d'AMS pour la contrainte des paramètres astrophysiques de propagation du rayonnement cosmique.

This thesis aims at the study of charged nuclear cosmic rays with energy between several hundred MeV and 1 TeV, which can bring answers to fundamental questions such as primordial matter / antimatter asymetry, dark matter or cosmic ray propagation in the galaxy. These phenomena must or can be studied through ligh antimatter nuclei detection. But the interaction of the primary cosmic rays with the terrestrial vicinity leads to the production and magnetic trapping of secondary particules, including light antimatter nuclei. This work aims at the precise charcaterisation of this physical background for baloon borne or stellite experiment. This was undertaken thanks to a three dimensional Monte Carlo simulation taking account realistic nuclear interactions. In particular this study shows the importance of the magnetic trapping and inelastic non-annihilating interaction for particle present at a 400 km altitude. The second party is dedicated to the study of the Ring Imaging CHerenkov detector of the AMS experiment. Thaks to a precise velocity measurement, it will enable isotopic separation of the charged nuclear cosmic rays. The resolution of the detector has been studied on cosmic and beam test. This study shows that the detector is understood and that its performances fill expectations. In particular a simulation work taking into account the trigger and efficiency of the AMS detector has been undertaken on the 10Be/9Be isotopic ratio shows the AMS capacity to constrain astrophysical cosmic ray propagation parameters