Identification de photons UHE dans le cadre de l'astronomie multi-messagers avec l'universalité à l'Observatoire Pierre Auger

Identification of UHE photons for multi-messengers astronomy with universality at the Pierre Auger Observatory

• Auteur / Autrice : Zoé Torrès
• Direction : Corinne Berat, Carla Bleve
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 27/10/2023
• 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 : Anne Stutz, Damien Dornic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Deligny, Yvonne Becherini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement cosmique

Lasers de puissance

Photons

Mots clés libres

Photons

Ultra haute énergie

Rayons cosmiques

Universalité

Cosmic rays

Ultra high energy

Photons

Universality

Résumé

Les neutrinos, les rayons cosmiques chargés, et les photons de très haute énergie ainsi que les ondes gravitationnelles fournissent des informations complémentaires pour étudier les objets les plus énergétiques de l'Univers, permettant ainsi le developpement de l’astronomie multi-messagers. L'Observatoire Pierre Auger est l'expérience phare qui étudie les rayons cosmiques à ultra-haute énergie et recherche les neutrinos et photons les plus énergétiques. L'objectif du travail de thèse présenté dans ce manuscrit est de développer une recherche performante de photons d’ultra-haute énergie dans les données Auger, en concevant une analyse discriminante de qualité basée sur une méthode de reconstruction des gerbes atmosphériques en exploitant le principe d’universalité. Les observables utlisées pour la reconstruction proviennent uniquement des détecteurs de surface de l’Observatoire (SD). Ce principe d’universalité implique que les propriétés moyennes d’une gerbe atmosphérique peuvent être décrites avec un nombre réduit de paramètres macroscopiques décrivant ces gerbes. Un modèle prédisant les sigaux dans les détecteurs du SD, et basé sur ce principe, a été développé dans la collaboration. Ainsi, en utilisant ce modèle, le maximum de développement des gerbes, une observable qui n’est pas directement accessible avec le SD, est reconstruit grace à la methode développée dans ces travaux de thèse. Cette observable permet de séparer les gerbes initiées par des photons de celles issues de hadrons. Le maximum de développement de la gerbe ainsi reconstruit, il est combiné à deux autres variables caractérisant la gerbe pour être introduit dans une analyse discrimante. Dans un premier temps, les différentes étapes de l’analyse sont développées et optimisées sur des simulations de gerbes initiées par des photons et des protons. Finalement, ses performances sont étudiées sur un échantillon de gerbes détectées à l’Observatoire Pierre Auger et les résultats sont comparés à la recherche de photons UHE actuelle faite au sein de l’Observatoire.

Neutrinos, cosmic rays, photons of ultra high energy as well as gravitational waves provide complementary information to study the most energetic objects in the universe, allowing therefore the development of multi-messengers astronomy. The Pierre Auger Observatory is the current experiment studying cosmic rays at the highest energies and searching for the most energetic neutrinos and photons. The aim of the thesis work presented in this manuscript is to develop an efficient search of ultra high energy photons in the Auger data, by building a discriminating analysis based on a reconstruction method using the universality of extensive air showers. The observables used are obtained only from the surface detectors (SD) of the Observatory. The universality principle states that the average properties of air showers can be described by a small set of macroscopic parameters describing the air showers. A model predicting the signals in the detectors of the SD was developped by the collaboration. Thus, using this model, the maximum depth of the shower development, an observable not directly accessible with the SD, is reconstructed using the method developped in this thesis work. This observable allows to discriminate between photon-induced air showers and showers initiated by hadrons. The shower maximum beging reconstucted, it is combined with two other variables describing the air showers, and they are implemented in a discriminating analysis. To begin with, the different steps of the analysis are developped and optimised on simulations of photon-induced and proton-induced showers. Then, its efficiency is studied on a sample of data detected by the Observatory and the results are compared to the current SD search for UHE photons.