nature des rayons cosmiques dultra haute energie (uherc) gilles maurin pcc - coll è ge de france

Nature des Rayons Cosmiques d’Ultra Nature des Rayons Cosmiques d’Ultra Haute Energie (UHERC)Haute Energie (UHERC)

Gilles Maurin

PCC - Collège de FrancePCC - Collège de France

PlanPlan

• Problématique d’AugerProblématique d’Auger : :

Importance de l’identification de la nature du Importance de l’identification de la nature du primaire ?primaire ?

• Méthodes de discriminationMéthodes de discrimination : :

Xmax, densité de muons, rayon de courbure…Xmax, densité de muons, rayon de courbure…Etude multidimensionnelleEtude multidimensionnelle

• Etat actuel d’AugerEtat actuel d’Auger : :

Développement des cuves, électronique…Développement des cuves, électronique…

100 km/h !!Zone connueZone connue

Spectre des Rayons cosmiques (1)Spectre des Rayons cosmiques (1)

Au dessus de GZK

CoupureCoupureGZKGZK

Spectre des Rayons cosmiques (2)Spectre des Rayons cosmiques (2)

• Quelle est leur énergieQuelle est leur énergie ? ?

Energie supérieure Energie supérieure àà la coupure GZK ? la coupure GZK ?

• D’où viennent-ilsD’où viennent-ils ? ?

coupure GZK coupure GZK sources proches de nous sources proches de nous 100Mpc100Mpc

• Quelle est la nature de ces rayons cosmiquesQuelle est la nature de ces rayons cosmiques ? ?

p, n, p, n, , noyau, neutrino…, noyau, neutrino…

Questions ???Questions ???

Nature des rayons cosmiques primaires (1)Nature des rayons cosmiques primaires (1)

Bottom - Up

Mécanismes astrophysiques violents : Noyaux Actifs de Galaxies

Super Novae…

Signature :Particules primaires = particules chargées (proton, noyaux)

Nature des rayons cosmiques primaires (2)Nature des rayons cosmiques primaires (2)

Top-Down

Désintégration, annihilation…d’une particule “X” :

Défauts Topologiques (cordes, monopôles...) Particules métastables reliques du Big-Bang

Signature :Particules primaires = protons, photons et neutrinos

PremièrePremièreInteractionInteraction

Formation deFormation dela cascadela cascade

électromagnétiqueélectromagnétique

RayonRayoncosmiquecosmique

Front de particulesFront de particules

Formation des gerbes atmosphériquesFormation des gerbes atmosphériques

ee e e

ee

Cascade EMCascade de pionsCascade de nucléons

e e e

n2n±

Hadrons près du coeur

Désintégration ±

90% de (>50 keV) 9% d’électrons (>250 keV)1% (>1 GeV)

Sol

z

Xmax Nmax

Formation des gerbesFormation des gerbes1ère interaction

Front de particules

Excitation dudiazote de l’air

émissionisotrope

de photons UV

Typiquement au maximum de la gerbe :

600 109 photons60 109 électrons0.6 109 muons

(gerbe a 1020 eV )

Détecteur de Fluorescence

Le détecteur de fluorescenceLe détecteur de fluorescence

t

signalXmax

Nmax

Xmax photon - proton – fer Xmax photon - proton – fer

Le fer atteint son maximum de

développement avantle proton

(à même énergie)

1020 eV

Distribution des Xmax Proton - Fer

1020 eVvertical

Distribution des Xmax à un angle donne et à une

énergie donnée

• Besoin d’étudier ces distributions à chaque angle et chaque énergie

• Besoin d’estimer l’effet de la détection sur la discrimination

• Besoin de quantifier le pouvoir discriminant

Outil statistiqueOutil statistique

22

21

12

Merit

1 2

Le facteur de mérite

Exemple de facteur de mérite

Paramètres de discrimination

Valeur moyenne(100 showers)

M=0.5

M=1

M=1.5

Facteur de mérite du Xmax

Xmax mesure exacteXmax à 30g/cm2 A tout angle

1,5 km

Le réseau de surface

Front de particules

T1T2 T3 T4

SD : Reconstruction en temps

1,5 km

A partir de ces temps :reconstruction de ladirection d’arrivée etde la forme du front

de la gerbe.

Rayon de courbure Proton - Fer

Le rayon de courbure du fer est plusgrand que celui

du proton.

(à même énergie)

Rayon de courbure Proton - Fer

Rayon de courbure en km

Facteur de mérite : Rayon de courbure

Mérite facteur

Photon

Electron

Muon

Signal dans les cuves

Signal enregistré par les 3 PM :

Signal déposé par les muons

Loin du cœur de la gerbe

Densité de muons au sol

Environ 30% de muons en plus pour les fer quepour les protons (à même énergie)

Facteur de mérite : densité de muon

Muon density (accuracy = 10%) Radius Curvature T80

Rise Time T80

Xmax (accuracy = 30g.cm-2) Muon density (accuracy = 20%)

Mesure de la densité de muon est le meilleur critère

de discrimination à 20o

Facteur de mérite : Comparaison (1)

Facteur de mérite : Comparaison (2)

Muon density (10%) Radius Curvature T80

Rise Time T80

Xmax (30g.cm-2) Muon density (20%)

Rayon de courbureest le meilleurdiscriminant

à 40o

Facteur discriminant = Combinaison linéaire

4

1

)(

ii ferdumoyennevaleur

iparametre

Proton

Iron

i ajustés pour maximiser le facteur

de mérite

Facteur de merite 2

Discrimination améliorée

Etude multidimensionnelle

Simulationde gerbes

Analyse multidimensionnelle& composition UHERC

fait en cours Futur…Progrès

SDSim + Reconstruction

ConclusionConclusion

Etude de l’information donnée par le détecteur

• Etude des gerbes atmosphériques : Définition des critères de discrimination Note interne et présentation au meeting de collaboration

• Développement en cours : Muon Counting + reconstruction CdF

Travaux en cours : AnalyseTravaux en cours : Analyse

• Amélioration de la mesure de l’énergie des UHECR

• Etude de la direction d’arrivée des UHECRAnisotropie Nouveau groupe de travail : CdF – LPNHE

• Application aux premières données.

Les cartes Unifiées (UB)Les cartes Unifiées (UB)

• UB produites : 130• UB à Malargue : 113• UB installées : 36

• UB en production : 300 (à Malargue mi-janvier)

• UB prévues : 500 mi-2004

Le réseau actuelLe réseau actuel

• 240 cuves installées (dont 40 prototypes)

• 114 cuves avec électronique(dont 30 prototypes)

120 km2

Le plus grand réseau du monde

Les détecteurs de fluorescenceLes détecteurs de fluorescence

• 3 baies installées surLos Leonas

• 3 baies installées surCoihueco

• 3 baies en cours surLos Morados

11erer événement stéréo hybride événement stéréo hybride