Contraintes sur la population de sources des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie à partir des données de l'observatoire Pierre Auger

Constraints on the population of ultra-high energy cosmic ray sources inferred from the data of the Pierre Auger Observatory

• Auteur / Autrice : Sullivan Marafico
• Direction : Olivier Deligny
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des Astroparticules et Cosmologie
• Date : Soutenance le 29/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Elias Khan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Berat, Peter Tinyakov, Martin Lemoine, Véronique Van Elewyck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Corinne Berat, Peter Tinyakov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sursauts gamma

Anisotropie

Observatoires astronomiques

Rayonnement cosmique

Mots clés libres

Rayons cosmiques

Auger

Astroparticules

Multi-Observable

Composition

Anisotropie

Auger

Anisotropy

Multi-Observable

Astroparticles

Uhecr

Cosmic ray

Résumé

Cette thèse porte sur les rayons cosmiques d'ultra haute énergie (RCUHE). L'origine de ces noyaux d'atomes, découverts il y a plus d'un siècle et accélérés jusqu'à des centaines d'EeV, reste un mystère. L'observatoire Pierre Auger, situé en Argentine, a été construit pour les étudier et tenter de percer ce mystère. En 2017, l'observatoire a permis de mettre en évidence leur origine extragalactique avant, l'année suivante, de fournir des indications de corrélation entre les directions d'arrivée des RCUHE au-delà de ≃40 EeV et un catalogue de galaxies à haut taux de formation d'étoiles. L'étude présentée dans cette thèse s'inscrit dans la continuité de ces résultats. Premièrement, une étude a été réalisée sur les méthodes de reconstruction du flux en termes de direction d'arrivée. Une seconde étude, portant sur la composition des RCUHE à partir des profondeurs de maximum de gerbe (X_max), s'est concentrée sur l'estimation du biais et des incertitudes des méthodes utilisées. Enfin, une étude phénoménologique visant à contraindre la production de RCUHE à leurs sources à partir des données de composition et de spectre en énergie a été conduite. Deux modèles d'évolution des sources ont été évalués : un scénario d'évolution des sources qui suit la densité de masse stellaire (DMS), et un scénario où l'évolution des sources suit la densité de taux de formation d'étoiles (DTFE). Ces deux modèles prennent en compte l'évolution cosmique et l'évolution locale, laquelle est propre à notre environnement extragalactique proche. Le modèle est comparé au spectre en énergie et aux distributions en X_max pour des énergies au-delà de la ``cheville'' (caractéristique spectrale à ≃5 EeV) et au spectre de proton (calculé à partir de l'étude en composition) en deçà de la cheville. Cette étude montre que si les protons en deçà de la cheville sont issus de la même population de sources que celle au-delà, un échappement différent entre les protons et les autres noyaux est nécessaire pour expliquer les données dans le cas du scénario DMS, tandis que pour le scénario DTFE, les protons sous la cheville sont la conséquence de produits secondaires issus de la propagation des RCUHE dans l'univers. Dans le dernier chapitre de la thèse, ces modèles cosmiques ont été associés à un catalogue de près de 400,000 galaxies dans le but de déduire les cartes du ciel attendues. Ces modèles de ciel sont comparés aux données reconstruites à l'observatoire Pierre Auger et par l'expérience Telescope Array. Pour finir, l'aspect transitoire des sources de RCUHE a été caractérisé, en prenant en compte l'effet de divers champs magnétiques (Galactique, feuillet local et extragalactique). Cette étude a permis de contraindre le taux d'évènements produisant des RCUHE, ainsi que le champ magnétique imprégnant le feuillet local.

This thesis focuses on ultra-high energy cosmic rays (UHECRs). The origin of these atomic nuclei, discovered over a century ago and accelerated to hundreds of EeV, remains a mystery. The Pierre Auger Observatory, located in Argentina, was built to study them and try to unravel this mystery. In 2017, the observatory showed the first evidence of an extragalactic origin of UHECRs. The following year, the observatory found indications of correlation between the arrival directions of UHECRs above ≃40 EeV and a catalogue of star-forming galaxies. The study presented in this thesis is a continuation of the results from the Auger Observatory. Firstly, a study was carried out on the methods for reconstructing the flux as a function of arrival direction. A second study, concerning the estimation of the bias and the uncertainties of the composition of UHECRs from the distribution of the depth of shower maximum (X_ max), was carried out. Finally, a phenomenological study, based on a tool developed by the collaboration (the Combined Fit) to constrain the production of UHECRs at their sources from composition and spectrum data, was used. Two source evolution models were considered, a source evolution that follows the stellar mass density (SMD) and a scenario where the source evolution follows the star formation rate density (SFRD). These two evolution models take into account the cosmic and local evolution, which is specific to our immediate extragalactic environment. The model is compared to the all-particle spectrum and X_ max distributions above the ankle and to the proton spectrum (calculated from the composition study) below the ankle (≃5 EeV). This study shows that if the protons are from the same source population below the ankle and above it, a different escape between the protons and the other nuclei is needed to explain the data in the case of the SMD scenario, while for the SFRD scenario, the protons below the ankle are the consequence of secondary products from the propagation of UHECRs in the universe. In the last chapter of the thesis, these cosmic models have been associated with a catalogue of nearly 400,000 galaxies in order to derive sky maps expected from the model. These sky maps are compared with data reconstructed by the Pierre Auger Observatory and the Telescope Array experiment. Finally, the transient aspect of UHECR sources associated with the effect of various magnetic fields (Galactic, Local Sheet, and extragalactic) has been explored. This study constrains the rate of events producing UHECRs, as well as the magnetic field permeating the Local Sheet.