Recherche de photons cosmogéniques dans le flux des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie

Search for cosmogenics photons in the ultra high energy cosmic ray flux

• Auteur / Autrice : Julien Souchard
• Direction : Corinne Berat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 28/10/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Derome
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Piron, Mariangela Settimo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Lhenry-Yvon, Cristina Cârloganu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Observatoires astronomiques

Rayonnement cosmique

Mots clés libres

Observatoire Pierre Auger

Photons cosmogéniques

Analyse de données

Cosmogenic Photons

Pierre Auger Observatory

Data Analysis

Résumé

L’équipe de recherche AUGER émargeant à l’axe de recherche « Astroparticules, cosmologie et neutrinos » du LPSC souhaite accueillir un doctorant dès 2017. Le travail de thèse proposé se place dans la problématique de l’identification des rayons cosmiques d’ultra haute énergie (E > 1 EeV) détectés à l’Observatoire Pierre Auger.Dans la physique des astroparticules, les rayons cosmiques tiennent une place importante, ils sont des messagers de notre univers. Ceux dont l’énergie est supérieure à 1 EeV (1 EeV = 1018 eV) (rayons cosmiques d’ultra haute énergie, RCUHE) proviennent très certainement de phénomènes astrophysiques mettant en œuvre des énergies extrêmes ; ils permettent également d’explorer un domaine d’énergie bien au-delà de celle disponible auprès des accélérateurs de particules. Le flux de RCUHE est extrêmement faible et leur étude est conditionnée par la caractérisation des gerbes de particules secondaires qu’ils engendrent dans l’atmosphère. Conçu pour étudier les RCUHE et comprendre leur origine, l’Observatoire Pierre Auger, qui s’étend sur 3000 km2 dans la pampa argentine, observe et caractérise les gerbes atmosphériques en détectant les particules arrivant au sol, avec un réseau de 1660 détecteurs autonomes (compteurs Cherenkov à eau), et la lumière de fluorescence qu’elles produisent dans l’atmosphère, avec 27 télescopes.Les résultats obtenus par la collaboration Auger ont permis des avancées remarquables dans la connaissance des RCUHE. Mais il reste des questions à éclaircir sur l’origine de ces particules les plus énergétiques, leurs mécanismes d’accélération et leur propagation, pour aboutir à une description cohérente de l’ensemble des observations. La collaboration a donc entrepris une importante extension des capacités de l'Observatoire. Ce projet, baptisé AugerPrime, a pour objectif de permettre l’identification des RC primaires en améliorant les performances de détection, notamment grâce à l'installation de scintillateurs et une nouvelle électronique d’acquisition sur chacun des 1660 détecteurs Cherenkov à eau du détecteur de surface (SD). L'équipe AUGER du LPSC assume des responsabilités dans le contrôle en ligne et le suivi des performances du SD, et contribue de façon essentielle au projet d’amélioration et de rénovation de son électronique. De plus, une partie des scintillateurs seront assemblés et testés au LPSC en 2017.Un des objectifs majeurs du projet Auger est la compréhension de la suppression de flux de RCUHE aux énergies les plus hautes. Si c'est la signature d'un effet de propagation, le célèbre effet 'GZK', la détection de photons d’ultra haute énergie (dits cosmogéniques) peut fournir une preuve indépendante de l'existence de cet effet et permettre de contraindre les scénarios astrophysiques. Les derniers résultats sur la recherche de photons dans les données d’Auger ont permis de mettre des limites supérieures sur le flux attendu, au niveau des prédictions optimistes de flux GZK. L'observatoire n'a pas de rivaux en terme de sensibilité aux photons cosmogéniques, et avec les futures données, et les améliorations apportées à la détection, cette sensibilité ne va cesser de croitre. Le travail de thèse s'inscrit dans cette activité d'analyse de données menée pour identifier les gerbes initiées par des photons UHE. De nouvelles méthodes de reconstruction et de sélection des événements seront à concevoir et à mettre en œuvre, pour exploiter au mieux les performances des détecteurs.

Ultrahigh-energy cosmic rays (UHECRs), whose origin is still mysterious, provide a unique probe of the most extreme environments in the universe, of the intergalactic space and of particle physics beyond the reach of terrestrial accelerators. UHECRs are very scarce and their characteristics are inferred from the measurement of extensive air showers they produce.The Pierre Auger Observatory located in the province of Mendoza (Argentina) and covering 3000 square kilometres, brings unique capabilities to the UHECR study. It combines two techniques to measure the EAS properties by observing their longitudinal development in the atmosphere with the fluorescence detector (FD) consisting in 27 fluorescence telescopes, as well as their lateral spread at ground level with the surface detector (SD) consisting of 1660 autonomously operated water-Cherenkov detectors.The Pierre Auger Observatory started operating more than a decade ago. Outperforming preceding experiments both in size and in precision, it has boosted forward the field of UHECRs as witnessed by a wealth of results.But any harvest of new results also calls for new questions: what is the true nature of the spectral suppression: a propagation effect (so-called Greisen, Zatsepin and Kuz'min or GZK cutoff) or cosmic accelerators running out of steam? What is the composition of UHECRs at the highest energies? In order to answer these questions, the Auger Collaboration is undertaking a major upgrade program of its detectors, the AugerPrime project, designed to improve the knowledge on mass composition, mainly by discriminating electromagnetic and muonic shower components from SD-based observables, by having a further and independent measurement. Scintillator detectors will be settled on each of the 1660 Water Cherenkov detectors, with new electronics providing higher performances.The AUGER team of the LPSC assumes responsibilities in the in the monitoring and the follow-up of the performances of the SD, and contributes in an essential way to the project of improvement and renovation of the electronics. Furthermore, a part of scintillators will be assembled and tested in the LPSC in 2017.One of the main objectives of AugerPrime is the understanding of the suppression of the RCUHE flux at the highest energies. If it is the signature of propagation effect, the famous ' GZK ' effect, the detection of « cosmogenic » photons of ultra high energy can provide an independent evidence of the existence of this effect allowing to constrain the astrophysical scenarios. The lastest results from photon search in Auger data allowed to derive upper limits on the expected flux, at the level of the optimistic predictions of GZK models. The Observatory has no rivals in term of sensibility in UHE photon search, and with the future data, and the improvements brought to the detection, this sensibility will increase. The thesis work will consist mainly in data analysis to identify the air showers produced by UHE photons. New reconstruction methods and event selection procedures should be designed and implemented to exploit at best the detector performances.