Radio détection des rayons cosmiques d'ultra haute énergie

Radio-detection of ultra-high energy cosmic rays : analysis, simulation and interpretation

• Auteur / Autrice : Vincent Marin
• Direction : Pascal Lautridou, Benoît Revenu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique nucléaire, Astroparticules
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement cosmique

Mots clés libres

Gerbe atmosphérique

Codalema

Auger

Emission radio

Selfas

Courant transverse

Excès de charge

Résumé

Malgré l’utilisation de détecteurs géants adaptés aux faibles flux au-delà de 1018 eV, l’origine du rayonnement cosmique d’ultra-haute énergie reste pour l’instant mal établie. Dans les années 60, la détection radio des gerbes a été proposée comme une technique complémentaire à la détection de particules au sol ou à la détection par fluorescence. Un renouveau de cette méthode s’est opéré à partir des années 2000, avec notamment l’expérience CODALEMA. Les premiers résultats obtenus ont montré une forte dépendance du signal au champ géomagnétique et une forte corrélation entre l’énergie estimée par la radio et par les détecteurs de particules. La nouvelle génération de détecteurs radio créée par la collaboration CODALEMA permet aujourd’hui de démontrer qu’il est possible de détecter des gerbes de manière autonome. De part les performances attendues (cycle utile de presque 100%, signal provenant de l’ensemble de la gerbe, simplicité et faible coût du détecteur), il pourrait être envisagé de déployer cette technique pour les prochains grands réseaux de détection. Afin d’interpréter les données expérimentales, un outil de simulation radio, SELFAS, a été développé dans ce travail. Ce code de simulation a permis de mettre en évidence l’existence d’un second mécanisme d’émission radio. Une interprétation du profil longitudinal est aussi proposée comme observable d’un instant privilégié du développement de la gerbe, et pourrait donner une estimation de la nature du primaire.

Despite the use of giant detectors suitable for low flux beyond 1018 eV, the origin of ultra energy cosmic rays, remains unclear. In the 60’, the radiodetection of air shower is proposed as a complementary technique to the ground particle detection and to the fluorescence method. A revival of this technique took place in the 2000s in particular with CODALEMA experiment. The first results show both a strong dependence of the signal to the geomagnetic field and a strong correlation between energy estimated by the radiodetectors and by particle detectors. The new generation of autonomous detectors created by the CODALEMA collaboration indicates that it is now possible to detect air showers autonomously. Due to the expected performances (a nearly 100% duty cycle, a signal generated by the complete shower, simplicity and low cost of a detector), it is possible to consider to deploy this technique for the future large arrays. In order to interpret experimental data, a simulation tool, SELFAS, is developed in this wok. This simulation code allowed us to highlight the existence of a second radioemission mechanism. A first interpretation of the longitudinal profile as an observable of a privileged instant of the shower development is also proposed, which could give an estimation of the nature of the primary.