Étude du candidat PeVatron hadronique SNR G106.3-2: observations à grand angle zénithal avec LST-1 et MAGIC

Study of the hadronic PeVatron candidate SNR G106+3.2.7: Large Zenith Angle observations with LST-1 and MAGIC

• Auteur / Autrice : Marie-Sophie Carrasco
• Direction : Franca Cassol, Heide Costantini
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : PHYSIQUE DES PARTICULES ET ASTROPARTICULES
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 06/11/2025
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CPPM - Centre de Physique des Particules de Marseille
• Jury : Président / Présidente : Alice Pisani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franca Cassol, Karl Kosack, Rosa Coniglione, Jürgen KNöDLESEDER, Heide Costantini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karl Kosack, Rosa Coniglione

Mots clés

Mots clés libres

Rayons gamma

PeVatron

Ctao

Lst-1

Iact

G106.3+2.7

Gamma-ray

PeVatron

Ctao

Lst-1

Iact

G106.3+2.7

Résumé

Les rémanents de supernova (supernova remnant, SNR) sont historiquement considérés comme les plus probables accélérateurs de rayons cosmiques galactiques jusqu'à l'échelle du PeV, communément appelés PeVatrons. Toutefois, une preuve directe d'une telle accélération hadronique à ces énergies reste encore à établir. Le SNR composite G106.3+2.7 se distingue comme un candidat PeVatron prometteur, en raison de son émission de rayons gamma d'énergie ultra-élevée (ultra-high energy, UHE) au-delà de 100~TeV, de sa morphologie complexe, et de son association spatiale avec un nuage moléculaire. Les études multi-longueurs d'onde suggèrent un scénario mixte, combinant des composantes leptoniques et hadroniques. Cette thèse présente une analyse détaillée de 42.6~heures d'observations en mode mono-télescope avec le télescope LST-1, premier grand telescope (Larged-Sized telescope, LST) de l'observoire CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory). Ces données s'inscrivent dans une campagne d'observation conjointe s'étendant sur plusieurs années avec les deux télescopes voisins de MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope), visant à sonder la bande d'énergie 1--50~TeV avec une résolution angulaire élevée. La campagne d'observation est réalisée à grands angles zénithaux afin d'améliorer la sensibilité au-dessus de 10~TeV Pour mener à bien la reconstruction et l'analyse des données LST-1, plusieurs méthodes et outils ont été développés ou optimisés~: le développement d'un outil d'évaluation de la qualité pour la sélection des données, une optimisation de la chaîne de reconstruction et des simulations Monte Carlo employées pour l'entraînement des modèles de Machine Learning, ainsi que l'optimisation de l'outil texttt{BAccMod} pour la production de modèles de fonds adaptés à nos besoins pour les sources étendues observées à grands angles zénithaux. L’analyse repose sur plusieurs approches complémentaires : des cartes du ciel montrant la dépendance en énergie de l'émission, des mesures du spectre de l’émission dans des régions d’intérêt définies par d’autres observatoires (MAGIC et LHAASO), et un ajustement global combinant l’information spatiale et spectrale sur toute la zone observée. Le modèle de source qui reproduit le mieux les données révèle deux zones d’émission gamma: une émission étendue et plus faible au niveau de la ''tête'' du rémanent, et une source plus compacte et plus énergétique dans la ''queue'', là où se trouve un nuage de gaz dense. Ce résultat soutient l’idée que des protons accélérés pourraient interagir avec ce nuage pour produire des rayons gamma UHE. Ce travail propose une méthode rigoureuse pour analyser des sources gamma complexes, et s’inscrit dans la recherche des accélérateurs les plus puissants de notre galaxie en préparation du futur observatoire CTAO.

Supernova remnants (SNRs) are historically considered the primary accelerators of Galactic cosmic rays up to the PeV scale, yet direct evidence of hadronic acceleration at these energies remains elusive. The composite SNR G106.3+2.7 stands out as a strong candidate due to its detection of ultra-high-energy (UHE) gamma-ray emission above 100~TeV, complex morphology, and spatial association with a molecular cloud. Multi-wavelength studies suggest a mixed scenario, with both leptonic and hadronic components contributing to the observed emission. This thesis presents a detailed analysis of 42.6 hours of mono-telescope observations with the Large-Sized Telescope prototype (LST-1), carried out at large zenith angles to enhance sensitivity above 10~~TeV. These data are part of an ongoing multi-year observation campaign coordinated with MAGIC, aiming to probe the 1--50~~TeV energy range with high angular resolution. Additionnaly, a joint strategy has been implemented for the spectral analysis, combining LST-1 and MAGIC data from previous publication with different zenith angle regimes to ensure spectral consistency. To enable this analysis, several methods and tools were developed or optimized: a dedicated data selection pipeline, a reconstruction scheme based on high-density Monte Carlo simulations combined with a random forest interpolation method, and a 3D background modeling package (baccmod) tailored to our needs for extended sources at large zenith angles. We perform a morphological and spectral analysis, including energy-binned skymaps, 1D spectral fits in MAGIC and LHAASO-defined regions of interest, and a full 3D spatial–spectral likelihood fit over the field of view. The best-fit model reveals two independent components, an extended soft-spectrum emission from the SNR head and a compact hard-spectrum source at the tail,supporting a hadronic origin for the UHE emission. This work establishes a robust methodology for characterizing complex gamma-ray sources and contributes to the search for Galactic PeVatrons with the next-generation CTAO.