Propagation et distribution sur le ciel des rayons cosmiques d'ultra haute énergie dans le cadre de l'observatoire Pierre Auger

Propagation and sky distribution of ultra-high energy cosmic rays within the Pierre Auger Observatory

• Auteur / Autrice : Eric Armengaud
• Direction : Cyril Lachaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs magnétiques (physique spatiale)

Anisotropie

Rayonnement cosmique

Résumé

L'origine des rayons cosmiques d'ultra haute énergie reste une énigme de la physique contemporaine, que l'Observatoire Pierre Auger, détecteur hybride d'une taille inégalée, va tenter de résoudre. L'observation directe des sources de ces particules, ou de structures à grande échelle sur le ciel associées à ces sources, est un des premiers objectifs de cet observatoire. De telles observations permettront aussi de contraindre la propagation des rayons cosmiques, qui, entre leurs sources et la Terre, subissent d'une part des interactions sur des fonds de photons de basse énergie, et d'autre part des déflections dans des champs magnétiques astrophysiques. Cette thèse comprend deux volets, afin d'observer les sources des rayons cosmiques avec l'Observatoire Auger et de les modéliser. Nous commençons par décrire en détail l'Observatoire Pierre Auger, et nous intéressons ensuite à l'acceptance de son détecteur de surface afin de pouvoir construire des cartes de couverture précise du ciel, outil indispensable à l'étude des anisotropies. Nous présentons ensuite des méthodes de recherche d'anisotropies sur le ciel, et analysons les deux premières années de prise de données de l'Observatoire. Après une description des phénomènes susceptibles d'influencer la propagation et l'observation de sources de rayons cosmiques d'ultra-haute énergie, nous présentons des simulations numériques destinées à prédire des observables telles que le spectre, les anisotropies et la composition mesurables par Auger, en fonction de différents modèles astrophysiques. Nous montrons que les champ: magnétiques extragalactiques peuvent jouer un rôle crucial, surtout si les rayons cosmiques sont en partie des noyaux lourds. Enfin, nous montrons que la propagation de ces particules depuis une source proche génère des flux secondaires de rayons gamma qui pourront être détectés par des télescopes gamma au TeV.

The origin of ultra-high energy cosmic rays remains an enigma of modem physics, which the Pierre Auger Observatory, a detector with a hybrid detection mode and an unprecedented size, will try to solve. The direct observation of the sources of those particles, or of large- scale structures in the sky associated to the sources, is one of the main goals of the Observatory. Such observations should also allow to constrain cosmic ray propagation between their sources and thé Earth, which is complicated by interactions with low-energy photon backgrounds and deflections in astrophysical magnetic fields. This thesis is made of two parts, in order to observe and modelize the sources of cosmic rays within the Auger Observatory. We begin with an extensive description of the Pierre Auger Observatory, and study the acceptance of its surface detector in order to build accurate sky exposure maps, an essential tool in order to study anisotropies. Then we present methods to search for anisotropies in the sky, and analyze the first two years of Auger data. After a description of thé phenomena that can influence the propagation and observation of ultra-high energy cosmic ray sources, we present numerical simulations aiming at predicting observables such as the spectrum, anisotropies and composition measurable by Auger as a function of various astrophysical models. We show that extragalactic magnetic fields can play a crucial role in particular if cosmic rays are partly heavy nuclei. Finally, we show that the propagation of these particles from a nearby source generates secondary fluxes of gamma-rays that could be detected by TeV gamma-ray telescopes.