Mass composition studies of Ultra High Energy cosmic rays through the measurement of the Muon Production Depths at the Pierre Auger Observatory

• Auteur / Autrice : Laura Collica
• Direction : Antoine Letessier-Selvon, Lino Miramonti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des astroparticules
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Observatoires astronomiques

Muons

Rayonnement cosmique

Masse (physique)

Physique des hautes énergies

Mots clés libres

Observatoire Pierre Auger

Résumé

L'observatoire Pierre Auger étudie la physique des rayons cosmiques de ultra haute énergie (UHECRs). Le flux de UHECRs est faible et les propriétés doivent etre déduite à partir des mesures des particules secondaires qui sont produites par les rayons cosmiques primaires dans l' atmosphère. Ces cascades sont appelées gerbe atmosphériques étendues (EAS) et peuvent etre étudiés au sol en déployant des détecteurs couvrant de larges zones. La physique des EAS est complexe et les propriétés des particules secondaires dépendent fortement de la premie��re interaction, qui se déroule à un niveau d'énergie supérieur de ceux atteint dans les accélérateurs. En conséquence, l'analyse de UHECRs est soumis à d'importantes incertitudes et donc beaucoup de leurs propriétés, en particulier leur composition, sont encore inconnues. Deux techniques complémentaires sont utilise'es pour détecter le EAS initie'es par UHECRs à Auger: 3000 km2 réseau de détecteurs qui échantillonnent les particules au niveau du sol (SD) et des détecteurs de fluorescence (FD) qui recueillent la lumière ultra-violette émise par la désexcitation des noyaux d'azote dans l'atmosphère, et ne peut fonctionner que pendant des nuits sans lune. L'objectif principal de cette thèse est la mesure de la composition de la masse de UHECR à partir des données du SD de l'Observatoire Pierre Auger. La mesure de la composition des UHECR est de la plus haute importance pour la physique des particules et pour l'astrophysique. En particulier, cela pourrait permettre de explorer l'interaction hadronique au niveaux d'énergie ultra hauts et de séparer les différents scénarios d'origine et la propagation des rayons cosmiques.

The Pierre Auger Observatory studies Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECRs) physics. The flux of UHECRs is very low (less than 1 particle/km2-year) and their properties must be inferred from the measurements of the secondary particles that the cosmic ray primary produces in the atmosphere. These particles cascades are called Extensive Air Showers (EAS) and can be studied at ground by deploying detectors covering large areas. The EAS physics is complex, and the properties of secondary particles depend strongly on the first interaction, which takes place at an energy beyond the ones reached at accelerators. As a consequence, the analysis of UHECRs is subject to large uncertainties and hence many of their properties, in particular their composition, are still unclear. Two complementary techniques are used at Auger to detect EAS initiated by UHECRs: a 3000 km2 surface detector (SD) array of water Cherenkov tanks which samples particles at ground level and fluorescence detectors (FD) which collect the ultraviolet light emitted by the de-excitation of nitrogen nuclei in the atmosphere, and can operate only in clear, moonless nights. The main goal of this thesis is the measurement of UHECR mass composition using data from the SD of the Pierre Auger Observatory. Measuring the cosmic ray composition at the highe-st energies is of fundamental importance for particle physics and astrophysics. Indeed, it allows to explore the hadronic interactions at ultra-high energies, and to discriminate between different scenarios of origin and propagation of cosmic rays.