Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans...

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Ahmed REBAI Mémoire présenté en vue de l’obtention du grade de Docteur de l’Université de Nantes sous le label de L’Université Nantes Angers Le Mans École doctorale : MOLÉCULES, MATIÈRES ET MATÉRIAUX EN PAYS DE LOIRE (3MPL) Discipline : Physique nucléaire Spécialité : Astroparticules Unité de recherche : SUBATECH Soutenue le 28 Juin 2013 Thèse N° : Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA JURY Rapporteurs : Mme. Christelle ROY, Directrice de recherche, CNRS, IPHC, Strasbourg M. Alain LECACHEUX, Directeur de recherche, CNRS, Observatoire de Paris, Meudon Examinateurs : M. Georges LE VEY, Maître assistant, Ecoles des mines de Nantes IRCCyN, Nantes Mme. Cristina CARLOGANU, Chargée de recherche, CNRS, LPC Clermont Ferrand M. Olivier RAVEL, Maître de conférences, Université de Nantes, Subatech M. Pascal LAUTRIDOU Directeur de recherche, CNRS, Subatech M. Pascal LAUTRIDOU, Directeur de recherche, CNRS, Subatech Directeur de Thèse : Encadrant scientifique : M. Olivier RAVEL, Maître de conférences, Université de Nantes, Subatech

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Les rayons cosmiques sont des particules chargées qui bombardent la terre en permanence. Le but de l’expérience CODALEMA, installée à l’observatoire de radioastronomie de Nançay (France), est d’étudier la radiodétection des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie. Le dispositif initial utilise en coïncidence un réseau des détecteurs de particules et un réseau d’antennes. Utilisant cet appareillage, une nouvelle analyse visant à estimer l’énergie de la gerbe à partir des données radio est présentée. Nous déduisons qu’une résolution en énergie meilleure que 20% peut être atteinte et que, non seulement la force de Lorentz, mais aussi une contribution proportionnelle à la charge totale produite dans la gerbe atmosphérique joue un rôle significatif dans l’amplitude du champ électrique mesuré. Depuis 2011, un nouveau réseau de détection radio, constitué de 60 stations autonomes auto-déclenchées est en déploiement autour du dispositif initial. Ce développement conduit à des défis spécifiques en termes d’identification des gerbes atmosphériques. Concernant la localisation de la source de l’émission radio, nous montrons que ce problème est mal-posé au sens de Hadamard.

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Page 1: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Ahmed REBAI

Mémoire présenté en vue de l’obtention du grade de Docteur de l’Université de Nantes sous le label de L’Université Nantes Angers Le Mans

École doctorale : MOLÉCULES, MATIÈRES ET MATÉRIAUX EN PAYS DE LOIRE (3MPL)

Discipline : Physique nucléaire Spécialité : Astroparticules Unité de recherche : SUBATECH

Soutenue le 28 Juin 2013 Thèse N° :

Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience

CODALEMA

JURY

Rapporteurs : Mme. Christelle ROY, Directrice de recherche, CNRS, IPHC, Strasbourg M. Alain LECACHEUX, Directeur de recherche, CNRS, Observatoire de Paris, Meudon

Examinateurs : M. Georges LE VEY, Maître assistant, Ecoles des mines de Nantes IRCCyN, Nantes Mme. Cristina CARLOGANU, Chargée de recherche, CNRS, LPC Clermont Ferrand M. Olivier RAVEL, Maître de conférences, Université de Nantes, Subatech

M. Pascal LAUTRIDOU Directeur de recherche, CNRS, Subatech

M. Pascal LAUTRIDOU, Directeur de recherche, CNRS, Subatech Directeur de Thèse :

Encadrant scientifique : M. Olivier RAVEL, Maître de conférences, Université de Nantes, Subatech

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1020 km2 1015 eV

km2 1000 km2

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Ep 0 20 %

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1020 eV 13 eV 5, 5.1019 eV

> EeV ( E, B) F = q( E + v ∧ B) 1013 V

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100EeV

(∼ 10 km.s−1) 30 parsec 1011 ans!

107m.s−1 E = α.E n

E = E0(1 + α)n

n =ln( E

E0)

ln(1 + α)

n P n

N = N0Pn

Page 14: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

N0

ln(N

N0) = n.ln(P ) = ln(

E

E0)

ln(P )

ln(1 + α)= ln(

E0

E)s

s = − ln(P )ln(1+α) N ≥ n

≥ E

dN(E)

dE= constante×

E0

E

(1+s)

s 1, 1 −2, 1 −2, 7 (1−P )

z|e| 100.z.T eV

Page 15: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

90 100EeV ”X” 1020 eV

∼ 1016GeV 4 − 5 1024 eV mX σνN 246GeV σνN > 10−27 cm2 50 g.cm−2 10−26 cm2 ∼ 1000 g.cm−2 36000 g.cm−2 1021 eV

11 109 eV 1020 eV 32 m2.sr.s 109 eV 1 km2.sr.siecle 1020 eV

F (E) =d4N

dE.dS.dΩ.dt= E−n

N E S Ω t n

Page 16: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

”X” 1016GeV γ γ 3.1019 eV γ

2, 7 n ∼ 2, 7 ∼ 3 3 − 5.1015 eV ∼ 3, 3 5.1017 eV 2, 7 − 3, 0 3.1018 eV Ep < 1GeV

11 ans

1977 1995

1Tesla R = p.c

Z.|e| p Z.|e|

Page 17: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

E2,5p

γ 1018 eV

GeV 105GeV

∼ 2, 7 m2

Page 18: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

m2 sr s m2 sr

s

m2 sr jour

m2 sr an

km2 sr an

km2 sr Siecle

g.cm−2

5 Z > 17

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3.1015 eV 2, 7 3 m2 an

[0, 40]

3.1017 eV ∼ 3 3, 3

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14TeV

2, 7 3.1018 eV ∼ 3µG

1964 3 1966 (T = 2, 73K) 1020 eV π0 π+ Δ+

p+ γ → Δ+ → n+ π+

p+ γ → Δ+ → p+ π0

E3

Page 21: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

1020 eV ∼ 100Mpc ∼ 100Mpc Mpc

90 1991 3.1020 eV 11 1020 90 100Mpc

2006 2008 EGZK 5.σ 40 EeV 20 J

1021 eV 100 Mpc

Xmax Xmax < Xmax > RMS(Xmax) Xmax Xmax Xmax

Page 22: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

< Xmax > RMS(Xmax)

< Xmax > RMS(Xmax) Xmax

< Xmax > < Xmax > RMS(Xmax)

1020 eV

Page 23: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

∼ 100Mpc 57EeV 75Mpc 12eme

Ep ≥ 55EeV 3, 1 60

61% 33% 3σ

Page 24: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Ep ≥ 55EeV 60 3, 1 318 75Mpc

Xmax 1018 eV −1018,5 eV

√s =

57TeV

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Xmax Xmax

20% dNdXmax

∝ e−XmaxΛ20 Λ20

σp−Air σp−Air = <mair>Λ20

σp−Air

σp−Air = (505± 22stat (+19−14)sys)mb

1000 g.cm−2 80 g.cm−2 (∼ 700m 10 km) 1938 Xmax (g.cm−2)

g.cm−2

e+/e− (γ −→ e+ + e−) (e± −→ e± + γ) λ X

N(X) = 2Xλ

2 Ep 2

E(X) =Ep

2Xλ

(Ec = 80MeV )

Page 26: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Xmax

dNdXmax

∝ e−XmaxΛ20 σp−Air σp−Air = <mair>

Λ20

σp−Air

Xmax = X0.ln(Ep

Ec)

X0 = 37 g.cm−2 Nmax Xmax

Nmax =Ep

Ec

Page 27: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

N Ep A t X0 = 37, 15 g.cm−2 t = X−X1

X0

N(Ep, A, t) =Ep

Enet−tmax−2t.ln(s)

En = 1, 45GeV tmax = 1, 7+ 0, 76.(ln(EpEc

)− ln(A)) Xmax Ec = 80MeV s = 2t

t+tmax

N t N(t)

Page 28: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Xmax = X0.tmax Nmax Ep N(t)

Xmax

Ec

(π+, π−, π0)

(K+, K−, K0) λN ∼ 70−80 g.cm−2 π0 → 2γ

Xmax Xmax Xmax = Xsimu

0 ln(Ep

Esimu ) Xsimu

0 Esimu Xmax Ne(t)

ρ(r) = Nec(s)

r20(r0r

)s−2(1 +r

r0)s−4,5

avec c(s) = 0, 366s2(2, 07 − s)1,25 et s =3t

t+ 2tmax

Ne ρ r0 r0 = 80m 1016 eV

Page 29: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

1016 eV

Page 30: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

N = 1, 43.105 s = 0, 7 θ = 14, 2 N = 1, 28.105 s = 0, 8 θ = 15, 5

x ω v n(ω)

d2E ∝ ω

1− 1

β2.n(ω)2

dx dω β =

v

c

ω.dω ∼ 1014Hz ∼ 107Hz

Page 31: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

100MHz e+/e−

20MeV δ δ 10%

N 108 .N 0, 1

Iradio = (.N)2Ipar

Ipar

Ivisible = N.Ipar0

Ipar0

Ivisible

Iradio=

N.Ipar0

(.N)2Ipar=

1

2.N

Ipar0

Ipar 107

= 0, 1

Page 32: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

> 1016 eV 44MHz 2, 75MHz

6µs

B v B i v ∧ B α i ∝ sin(α) = ||v ∧ B||

0 ∝

Ep

0 ∝ Ep

Page 33: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

0 Ep

i

di i i ∝ e−did0

30 − 300m θ < 35 d0 d0(f =55MHz) = 100 ± 10m d0(f = 32MHz) = 140m i θ i ∝ cos(θ) 0 32−55MHz

i(f) = 20.

Ep

1017 eV

.sin(α).cos(θ).e

− did0(f, θ) enµV.m−1.MHz−1

1017 eV θ < 35 < 300m

O(100)ns

GHz

Page 34: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

10−240MHz

2650m 1017 eV ντ

20 km2

Page 35: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

20% 30% (Ne−−Ne+ )

(Ne−+Ne+ )

E±(r, t) = ± 1

Δt

q

c

r ∧ (r ∧ β)

R(1− β.n)

+ β − β

Page 36: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

E(r, t) =1

4π0

n.q(tret)

R2(1 − β.n)

ret

+1

c.∂

∂t

n.q(tret)

R(1− β.n)

ret

− 1

c2.∂

∂t

v.q(tret)

R(1− β.n)

ret

t = tret + |r−r0(tret)|c β R

Page 37: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Jµ(t, r, h) Jµ

Aµ(t, r) =µ0

d3r

Jµ(t, r, h)|D| |t=t

h

> 30 MeV < 30 MeV γ τ = d

γc

Emax = γq

4π0d2

d

GeV Ep = 1017 eV 108 30 MeV (γ = 60) 10−4 V.m−1 10 ns 100 m

1 µs

Page 38: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Ep = 1017 eV

1 MHz 100 MHz 100 MHz

4 µV/m/MHz Ep = 1017 eV

Page 39: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Ep = 1017 eV

20 %

Page 40: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

5 200 100 m

(d) = 0.exp(−d/d0)

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100 m

φp = tan−1(ENS

EEO) =

1

2tan−1(

U

Q)

U Q

Ep Ep 0 0 Ep 0 10 % Ep 30 % Ep, 0 0

|v ∧ B|EO = |sin(θ).cos(φ).cos(θb) + cos(θ).sin(θb)| B = 47µT θb

Page 43: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

315 (0, 0) 10 m

14% a = |Er|

|Eg|sin(α)

α

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(Ep, 0)

Xmax

Xmax 150 g.cm−2 30 g.cm−2

200 g.cm−2

[40, 60] MHz 10 %

3, 7 σ

η = −ln(

(τ2 + ρ2

2))

Page 45: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

ρ τ

200 g.cm−2

50 g.cm−2

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Page 47: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

1GHz 2000 2002

2006

Page 48: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

2010 2006 2008

1, 5 × 1, 5 km2

600m×500m 100m

∼ 100ns mV.m−1

Page 49: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

[0, 200MHz]

Zant(f) = Rant(f) + j.Xant(f)

Rant = R + Rrad Rrad R Rant

Rant(f) = 20(π2L.f

c)2

L c Xant Lant Cant

Xant = Lant.2π.f − 1

Cant.2π.f

Cant =π.0.L

ln(La )

Lant =1

4.π2.Cant.f20

Page 50: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Xant

Zant Xant(f) = 0 f0

Q =Lω0

R=

1

2.π.Rant

Lant

Cant

L = λ

2 (f0 = c2.L )

L [37, 70]MHz f0 = 125MHz 1, 2m Vin

(θ, φ) P (θ, φ) P0

G(θ, φ) =P (θ, φ)

4πP0

P (θ, φ) ≥ 2.P0

Page 51: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

70MHz

70MHz 30 (θ = 90) 100MHz

f0

f05

f0 Vout E

Vout

E= leff .

Vout

Va=

c

f.

Rrad(f).G(θ, φ, f)

120.π2.

A

1 + j.2π.Za(f).Cin.f

leff G(θ, φ, f) A

0, 8µm

leff = VaE

Va E

V.m−1

Page 52: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

MHz GHz σbruit =

√< V 2 >

6 0LST 5 LST

24mV

0, 25W 30 dB

−3 dB 80 kHz 230MHz 10 pF 19µF

23h56mn4s

Page 53: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

1m

Page 54: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

55MHz

Page 55: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

5 913 17 13 (θp, φp)

Ep

1015,7 eV 1016 eV 85m 5 7mn

γ 80 cm×80 cm×4 cm 1600V 1200V 104 0, 3 3000

θp 0 90 φp 0 90 180 270 p

200muons parm2.s

Page 56: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

5 650ns θp = 90 1GHz 12 bits 2, 52µs

V (t) = V0 + Vmax((t− t0).e

n.τ)n.e(

−(t−t0)τ )

4 V0 Vmax n.τ t0

(θp, φp) χ2

χ2 =N

i=1

(c(t0i − T0) − (u.xi + v.yi)

σi)2

(u = sinθp.cosφp, v = sinθp.sinφp) (θp, φp) θp = sin−1(

√u2 + v2) φp = tan−1(uv )

θp

Page 57: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

(σθp , σφp) (θp, φp)

θp ∼ 20

dN

dθ=

a.sin(θp).cos(θp)

1 + e(θp−bc )

θp < b = 27, 1

c = 7, 44 b a

φp 50 150

(σθp , σφp)

(xpc , y

pc , z

pc = 0)

4

Page 58: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

ρ(r) = Ne.c(s)

r20.(r0r

)2−s.(1 +r

r0)s−4,5

r r0 80m s s = 1, 2 c(s) c(s) =0, 366.s2.(2, 07 − s)1,25 χ2

χ2 =

N

i=1

(ni − ρ(ri))2

σ2ni

N ni ri ri =

(xi − xprc )2 + (yi − yprc )2 (xi, yi)

(xprc , yprc ) (xpc , y

pc )

Page 59: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

60 1, 5 km2 31

2

1

1, 2m 20MHz 100MHz [30− 40]MHz

220V 24V

ns

[45−55]MHz

Page 60: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

1GS/s 14 bits

24 21 3 2520 1Gs/s 2, 52µs 5

Page 61: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

2, 56µm

(θ, φ)

Page 62: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

27 2006 2 2010

[0− 200MHz]

(Attenuation(dB/m) = 0, 0817.

f(GHz) +

0, 025.f(GHz)) [0, 200MHz]

Page 63: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

4, 5ns metre

(10ns a ∼ 100ns) 100µV.m−1 Ep ∼ 1016 eV 1000µV.m−1 Ep ∼ 1018 eV [0− 100MHz] [1, 20MHz] [90, 110MHz] [0−120MHz]

[1 − 120MHz]

[24−82MHz] 1 0 300ns

[23 − 82MHz]

2, 52µs 300ns

Page 64: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

7 [24, 82MHz]

µb =< V 2 >b

σb =< (V 2 − µb) >2

seuil ≥ k ∗ µb k k 25

Ep

Page 65: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Vp(k) V n

Vp(k) = a1V (k − 1) + a2V (k − 2) + ...+ anV (k − n) =

n

i=1

aiV (k − i)

V (k) Vp(k)

e(k) = V (k) − Vp(k) = V (k) − (a1V (k − 1) + a2V (k2) + ...+ anV (k − n))

a1, ..., an Np

χ2 =

Np

k=1

e2(k) =

Np

k=1

(V (k) −n

i=1

aiV (k − i))2

e(k)

≥ 3 u.xi + v.yi + w.zi + constante = 0

n =

u = sin(θ).cos(φ)v = sin(θ).sin(φ)

w = cos(θ)

Page 66: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

[23 − 80MHz]

σt = 10ns

[45 − 55MHz]

σt = 5ns

σt = 10ns

σt = 1ns

[30 − 80MHz]σt = 1ns

MHz

χ2

χ2 =N

i=1

(c.ti − c.t0 + xi.u+ yi.v + zi.w

c.σi)2

(xi, yi zi) i σi i 10ns t0 zi = 0m χ2

χ2 =N

i=1

(c.ti − c.t0 + xi.u+ yi.v

c.σi)2

ti, xi, yi u, v, t0

Page 67: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

χ2

12 .

∂χ2

∂u = 012 .

∂χ2

∂v = 012 .

∂χ2

∂c.t0= 0

Sxt − c.t0.Sx + u.Sxx + v.Sxy = 0Syt − c.t0.Sy + u.Sxy + v.Syy = 0−St + c.t0.S1 − u.Sx + v.Sy = 0

Sxx Sxy −Sx

Sxy Syy −Sy

−Sx Sy S1

uvc.t0

=

−Sxt

−Syt

St

Sβγ =

iβ.ασ2i Sxt =

ixi.c.tiσ2i

Sxx =

ix2i

σ2i Sxy =

ixi.yiσ2i Syt =

iyi.c.tiσ2i

S1 =

i1σ2i

J.A = B J χ2

J =

Sxx Sxy −Sx

Sxy Syy −Sy

−Sx Sy S1

A B A =

uvc.t0

B =

−Sxt

−Syt

St

J A = J−1.B

u2 + v2 + w2 = 1

θ = sin−1(

(u2 + v2))φ = tan−1( vu )

10ns

1015 eV 5.1016 eV 1018 eV 1 6.1017 eV v∧ B

Page 68: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

α () α < 20 |dt| < 100ns σ(α) = 1, 6

i di

i = 20.(Ep

1017 eV)

0

.sin(α).cos(θ).exp(− did0(ν, θ)

)µV

m.MHz

d0 α θ 0 Ep

Page 69: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

50% Ep = 2.1017 eV 1 1018 eV

B v ∧ B 2030 1708 322 0, 188 0, 17 15σ

0 E0 E0 Ep

Page 70: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

log10(E0) log10(Ep) log10(E0) = a ∗ log10(Ep) + b

Page 71: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

(θ, φ) 2030 (θ = 27, φ = 0) 5 1

Page 72: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA
Page 73: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

PeV Xmax

Xmax Xmax

Xmax 40 g.cm−2

Page 74: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

< Xmax >

Xmax Xmax Xmax g.cm−2

Ecal = Nmax

<

dE

dX> f(X)dX =

Ecrit

λ0Nmax

f(X)dX (1)

f(X) = (X −X0

Xmax −X0)Xmax−X0

λ .exp(−X −Xmax

λ) (2)

(2) < dE

dX >

Page 75: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

g.cm−2 Ecritλ0

Ecrit = 80MeV λ0 = 37, 1 g.cm−2 2, 18MeV.e−1.g.cm−2 10% Eem <∼ 100MeV

100ns g/cm2 Ep = 3, 0 ± 0, 2.1019 eV

8% Ep 22% 14% 9, 5% 4% 10% 6%− 8%

40MeV Ep 11% 11% 10% 12% 22%

Ne Nµ Ep

Ecrit

Page 76: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

θ

S(d) V EM/m2 m2 (d) 600m 800m 1000m S(d) = f(Ep, θ)

S(1000) S(1000) ∼ P (cos(θ)).E0,95

p P 2 cos2(θ) − cos2(< θ >)

S(1000) θ

S(d) S Ep N0

dN

dcos2(θ)= Constante

N0 CIC(θ) θ N(> CIC(θ)) = N0 S38

S38 =S(1000)

CIC(θ),

θ = 38 θ 60 S38 Ep

θ

CIC(θ) x = cos2(θ) − cos2(< θ >)

Page 77: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

2 Ep

14TeV 1017 eV

20 % Ep (d) Ep

S38 Ep

% 3EeV 6EeV 13% 6EeV 10EeV % 10EeV S38 Ep

Ep Ep

Page 78: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

60 − 70

Ep 0 > 1018 eV

2 17 1035 g.cm−2 Ep ρ(r)

ρ(r) = Ne.c(s)

r20.(r0r

)2−s.(1 +r

r0)s−4,5

r0 r s s = 1, 2

c(s) = 0, 366.s2.(2, 07− s)1,25

Ne e−/e+

χ2 =

Nscintillateurs

i=1

(ni −NKG(ri))2

σ2ni

σni ni i ri

ri =

(xi − xpc)2 + (yi − ypc )2

Ne Ne θ Ne(0

)

Ne(θ) = Ne(0).exp(−Xprofondeur−Nancay

Λatt.(cos(θ)−1 − cos(0)−1))

Λatt Ne(θ) θ

< Ne(0

) > S(E)

S(E) =< Ne(0) >= Ne(θ).exp(−

Xprofondeur−Nancay

Λatt.(cos(θ)−1 − cos(0)−1))

Λatt Ep < Ne(0) >

Λatt [1015 eV − 1017.5 eV ] Λatt = 188 g.cm−2 (190 g/cm2)

Page 79: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Ep < Ne(0) >

< Ne(0) >

100 6 1016 − 1018 eV

Ep(eV ) = 2, 138 · 1010· < Ne(0) >0.9

Ep θ

Ep(eV ) = 2, 138.1010.(Ne(θ).exp(−Xprofondeur−Nancay

Λatt.(cos(θ)−1 − 1)))0,9

30% 1017 eV σEp

Ep< 30%

Ep 0 Ne Ep Ep 0 0 ∝ E0,96

p 60 5400m (0, Ep) 0 ∝ Ep

Page 80: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

0, 3 E2,7 E2,7 · φ(E)

GeV 1.7 ·m−2 · s−1 · sr−1

E(eV )

4 20 ∝ Ep ⇒ 0 ∝

Ep

2000

Ep

i = 0.exp(− di

d0)

i = 20.(Ep

1017 eV)

0

.sin(α).cos(θ).exp(− did0(ν, θ)

)µV

m.MHz

Page 81: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

0 10MHz Ep 20m 100m 180m 300m 500m 0 ∝ E0,96

p

0

0

i [µV.m−1] (xi, yi, zi = 0) 0 [µV.m−1] d0 [m] di [m] i

di = AB =AC2 −BC2,

AC

AC2 = (xi − xc)2 + (yi − yc)

2 + (zi − zc)2 = (xi − xc)

2 + (yi − yc)2

∀i zi = zc = 0m

BC = | AC.n| =

xi − xcyi − yczi − zc

.

cos(φ).sin(θ)sin(φ).sin(θ)

cos(θ)

= |(xi − xc).cos(φ).sin(θ) + (yi − yc).sin(φ).sin(θ) + (zi − zc).cos(θ)|= |(xi − xc).cos(φ).sin(θ) + (yi − yc).sin(φ).sin(θ)|

di =

(xi − xc)2 + (yi − yc)2 − ((xi − xc).cos(φ).sin(θ) + (yi − yc).sin(φ).sin(θ))2.

Page 82: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

(Ep, 0) 4 ∝ Ep

φ = 0 φ = 90 θ = 0 θ = 90

dpi

Page 83: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

19 Ep = 8.1016 eV 16 Ep = 1, 6.1018 eV

(φp, θp) (xpc , y

pc , z

pc = 0)

dpi

dpi =

(xi − xpc)2 + (yi − ypc )2 − ((xi − xpc).cos(φp).sin(θp) + (yi − ypc ).sin(φp).sin(θp))2.

0 d0 χ2

χ2 =

Nant−tag

i=1

i − 0.exp(− di

d0)

σi

2

σi i Nant−tag

χ2r

4 (0, d0) (xc, yc)

i = 0.exp

(xi − xc)2 + (yi − yc)2 − ((xi − xc).cos(φ).sin(θ) + (yi − yc).sin(φ).sin(θ))2

d0

χ2r =

Nant−tag

i=1

i − 0.exp(−di(xc, yc)

d0)

σi

2

(θ, φ) 4 0 d0

Page 84: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

(xpc , ypc )

Ep = 8.1016 eV Ep = 1, 6.1018 eV ( i

σi )2

σi :

[23 − 83]MHz σi (f < 100MHz)

AM kHz 23MHz

FM 87, 5MHz 108MHz

[23 − 83]MHz σi

σi =< (V 2

i − < V 2i >)2 >

Page 85: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA
Page 86: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

[23−83MHz] Ep Ep = 8.1016 eV Ep = 1, 6.1018 eV

Page 87: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

d0 0 destim0 = 140, 7m σd0 = 5, 2m 0 estim0 = 381, 9µV.m−1 σ0 = 8, 5µV.m−1

σ0

0 σ0

0

σ0 : 0

MatlabTM (0, d0) (σ0 , σd0)

1000 MC

i µ = i σ = σi ±3.σi

Page 88: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

1000 σ0 0 0 d0 0

22% 0

σd0 d0 d0 20% d0 600m d0 156m d0 2%

d0

0 ∝ Ex

p x 0 ∝ E1.03

p

0 = a.Ep + b χ2

Page 89: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

0 Ep 30% Ep 22% 0 E1,03

p

χ2 =N

i=1

(0i − α.Epi − β)2

Ep 0 χ2 0i − α.Epi − β

V (0i − α.Epi − β) = V (0i − α.Epi)= V (0i) + α2.V (Epi) − 2.α.Cov(0i, Epi)

Epi 0i Cov(0i, Epi) = 0 (Epi, 0i) V (0i) = (σ0i)2 V (Epi) = (σEpi)2

χ2 =N

i=1

[0i − (α.Epi + β)]2

[(σ0i)2 + α2.(σEpi)2]

χ2 (Epi, 0i) 0 Ep

0 = a.Ep + b E0 Ep

E0 =0α

− β

α= a.0 + b

Ep−E0

Ep E0 Ep

Ep − E0

Ep

Page 90: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Ep−E0

E0

Ep E0 31% [−1, 1]

4.σ 5.σ

σ(Ep−E0

Ep) =

1

N−1

([

Epi−E0i

Epi] − µ)2

avec µ = 1N

Epi−E0i

Epi

Page 91: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

[−1, 1]

|(v ∧ B)Est−Ouest| 0, 67 0, 40 0, 64 0, 77 0, 88

v∧ B v B

Page 92: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

v ∧ B θ φ

27 |(v ∧ B)Est−Ouest|

|(v ∧ B)Est−Ouest| = | − sin(θ).cos(φ).cos(27) − cos(θ).sin(27)|

v v ⊥ B B

0

0|(v∧ B)EO| Ep

(|(v∧ B)EO| < 0.1) Ep

Page 93: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

0|(v∧ B)EO| Ep

|(v ∧ B)EO| < 0, 1

c 0

0 → 0

|(v ∧ B)EO| + c

E0 = |(v ∧ B)EO|.E → E0 = |(v ∧ B)EO|.E + c.E

c |(v ∧ B)EO| 0 1

c = 0 c c.E

Page 94: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Ep−E0

Ep 1

(|(v∧ B)EO|+c)

c |(v ∧ B)EO|

c

c Ep−E0

Ep c

|(v ∧ B)EO| Ep−E0

Ep c = 0.95

B c c

|(v ∧ B)EO| B c = 0

|(v ∧ B)EO| c c Ep−E0

Ep

c

Page 95: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

σ((EP − E0)/EP ) |(v ∧B)EO|

|(v ∧B)EO|

< |(v ∧B)EO| >= 0.4

< |(v ∧B)EO| >= 0.64 < |(v ∧B)EO| >= 0.77

< |(v ∧B)EO| >= 0.88

Ep−E0

Ep

c 0 10

√2σ2

√N−1

N ≈ 70

0 Ep |(v ∧ B)EO| + c

c c c.|sin(θ).sin(φ)| 0

0 ∼ Ep.|(v ∧ B)EO| + Ep.c.|sin(θ).sin(φ)|

E0−EpEp

1

(|(v∧ B)EO+c.|sin(θ).sin(φ)||) c |(v ∧ B)EO|

c = 10

Page 96: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Ep−E0

Ep c |(v ∧ B)EO|

|(v ∧ B)EO| + c

v ∧ B

|(v ∧ B)EO|+ c |(v ∧ B)EO|.(1+c

|(v∧ B)EO| ) 0 |(v∧ B)EO|

0 = Ep.|(v ∧ B)EO|(1 +c

|(v ∧ B)EO|+

d

|(v ∧ B)EO|2+ ...)

c d c |(v∧ B)EO|

293

(EeV/mV ) (EeV )

1.03 ± 0.05 0.0083 ± 0.0004 |(v ∧B)EW |

c = 0

0.59 ± 0.06 0.0230 ± 0.0005

|(v ∧B)EW | + 0, 95

1.59 ± 0.09 0.0152 ± 0.003

(c = 0, 95)

(a, b) 0

E0 =a

(|(v ∧ B)EO + c|).0 + b

a 37% b 36%

(a, b)

Page 97: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

|(v ∧ B)EO + 0, 95|

E0 E0 Ep−E0

Ep σEp

Ep

E0

(Ep, E0)

E Ep

E ±σEp σEp

Ep= 30%

E0 ±3.σE0 σE0

E0 Ep−E0

Ep

c E0 σEp

Ep= 30%

σ(Ep−E0

Ep) = 0, 34% 20% E0

2000

Page 98: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

E0−EpEp

σ(E0)E0

5

σ(Ep)Ep

(0, 25, 0, 275, 0, 3 0, 325 0, 35) 30%

0 = (10, 9± 1, 1)[ µVm.MHz ](1

+(0, 16 ± 0, 02) − cos(α)).

cos(θ).exp( −RSA(202±64)m )(

Ep1017 eV )(0,94±0,03)

Ep = 1015,1.( 0|(v∧ B).eEW |.cos(θ) )

0,96

0|(v∧ B).eEW | = 3.10−17.Ep

0µV/m/MHz ∝ (3, 0± 0, 9)(

Ep1017 eV )0,95±0,04

Ep = (1, 10± 0, 35).1015.( 110mµV/m )1,02±0,05 eV 3

0 (|(v ∧ B).eEW |) = (sin(θ).cos(φ).cos(27) + cos(θ).sin(27))

(|(v ∧ B)|.eEW ).cos(θ) cos(θ)

Page 99: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

30%

0

Ep−E0

Ep

20%

Xmax

Page 100: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA
Page 101: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

km2 (10%) Xmax

Xmax

km2

Page 102: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

3

(1865 − 1963)

Page 103: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

km rlim = 2D2/λ D D = 300 m rlim rlim

rlim = 2D2/λ f λ

i Δtexpi Δttheoi

tmax

i Δtexpi =tmaxi − tref tref

Page 104: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Δttheoi Δtexpi

c Δttheoi

Δttheoi = tref − ux+ vy

c,

u = sin θ cosφ v = sin θ sinφ u v

i (Δtexpi − Δttheoi )2

Δtexpi Δttheoi Rs 3 5 10 km Δttheoi Δtexpi

10ns

Page 105: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

ti = ts +

(xi − xs)2 + (yi − ys)2 + (zi − zs)2

c

(xi, yi, zi, ti) i (xs, ys, zs, ts) c

34 [45 − 55MHz] σt = 5ns 4

χ2 =

N

i=1

(x0 − xi)

2 + (y0 − yi)2 + (z0 − zi)

2 − c2(t0 − ti)22

χ2

Page 106: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

(θplan, φplan) (θsphe, φsphe) 5 60

χ2 =N

i=1

((τi − τ0) − (ti − t0))

2

(σi)2

+

(1 − γ)2

(σγ)2

v = γc γ = 1 (1−γ)2

(σγ)2

τ0 χ2 13× 13 km2

Page 107: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

1642

χ2 =

N

i=1

ti − t0 −

|| Xi − X0||c

2

Rs =

x2s + y2s + z2s

θ = arcsin(

( xsRs

)2 + ( ysRs

)2) φ = arctan(ys/xs)

Xmax

Page 108: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

5 ri = (xi, yi, zi) (4)

ts S rs = (xs, ys, zs) ti i ∈ 1, ..., N

ti = ts +

(xi − xs)2 + (yi − ys)2 + (zi − zs)2

c+G(0, σt)

G(0, σt) 1σt

√2πe−

12 (

tσt

)2 t = 0 s

σt

3 σt = 0ns : σt = 3ns : 1ns 1m

σt = 10ns : [23 − 84]MHz

5 200m 1m

Page 109: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

(θp, φp)

1 km 10 km φ = 0 θ = 90 1m

χ2 =N

i=1

c.(ti − ts) − (xi.u+ yi.v)

c.σt

2

u = sin(θp).cos(φp), w = sin(θp).sin(φp) ts

(θp, φp) ti rs = (xs, ys, zs) ts

f(rs, t∗s) =

1

2

N

i=1

||rs − ri||22 − (ct∗s − ct∗i )

22

fi = ||rs − ri||22 − (ct∗s − ct∗i )2

θP

Page 110: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

f(rs, t∗s) rs ts f

TM

2 3

(∇f)k

(∇2f)k

f(x+ t.d)

f(x+ t.d, d) d

xk+1 = xk+tkdk tk dk

O(2n)

Page 111: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Rs 0, 1 km 20 km Rs

Page 112: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

(> 104)

1 10 km Rvraie = 1 km Rvraie = 1 km

1 10 km

Page 113: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

σt(ns) Rvraie(m) Rmoyen(m) Rmode(m) σR(m)

0

1000 (10071) 1002 (1081) 1081 (5763) 102

1198 1133 1477

3000

10000

3

1000

3000

10000

10

1000

3000

10000

2 Rmode Rmoyen

rs ri ts ti

t∗s t∗i t∗ = c.tσti

Xs Xi : ∇f ∇2f f

M =

1 0 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 −1

2

Q Li < .|. >

XT

Page 114: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

ri = (xi, yi, zi)T

rs = (xs, ys, zs)T ts

ti

f (X) =1

2

N

i=1

−→rs −−→ri 22 − (t∗s − cti)

22

=1

2

N

i=1

f2i

σt

i = σ = constante ∀ i ∇f ∇2f

f

f f f

f f

∇f(X) ∇f(Xs) = 0

f

f (Xs) =1

2

N

i=1

f2i (Xs)

fi (Xs) = (Xs −Xi)T · M · (Xs −Xi) = −→rs −−→ri 2 − (t∗s − t∗i )

2 M f

1

2∇f (Xs) =

fi (Xs)

M ·Xs −M ·

fi (Xs)Xi

∇2f (Xs) =4M ·NXsX

Ts +

XiX

Ti −Xs

Xi

T−

Xi

XT

s

·M + 2

fi (Xs)

·M

f C∞

R4,R

R [X1, . . . , X4]

Page 115: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Xs = (−→rs , t∗s)T R4 −→ε =

−→h , t∗

T

R4

Ki = −→rs −−→ri 22 − (t∗s − t∗i )2 Xs

Li (−→ε ) =

−→rs −−→ri | −→h− (t∗s − t∗i ) · t∗

Q−→h , t∗

=−→h

2

2− t∗2

f (Xs + −→ε ) =1

2

i

−→rs +−→h −−→ri

2

2− (t∗0 + t∗ − t∗i )

2

2

=1

2

i

−→rs +−→h −−→ri | −→rs +

−→h −−→ri

− (t∗s + t∗ − t∗i )

22

=1

2

i

−→rs −−→ri 22 +

−→h2

2+ 2

−→rs −−→ri | −→h− (t∗s − t∗i )

2 − t∗2 − 2t∗ (t∗s − t∗i )

2

f

f−→rs +

−→h , t∗s + t∗

≈ 1

2

i

K2i + 2

i

Ki · Li

−→h , t∗

+ 2

i

L2i

−→h , t∗

+

i

Ki

·Q

−→h , t∗

12

i

K2i

∇f (Xs)T · −→ε =

2 ·

i

Ki

−→rs −−→rit∗i − t∗s

T· −→ε f

(−→rs , t∗s) Xs

1

2Q

Xs,Xi

=

i Ki + 2

ixs − xi

2 2ixs − xi

ys − yi

2ixs − xi

zs − zi

2ixs − xi

t∗i − t∗s

∗ i Ki + 2

iys − yi

2 2iys − yi

zs − zi

2iys − yi

t∗i − t∗s

∗ ∗ i Ki + 2

izs − zi

2 2izs − zi

t∗i − t∗s

∗ ∗ ∗ −i Ki + 2

i

t∗i − t∗s

2

f (−→rs , t∗s) ∗

f

f R4

∇2f (X) d R4 f

Page 116: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

f

f ⇔

⇔ ⇔

Soit f ⇔ ∀d, ∀X, dT · ∇2f (X) · d 0

X d dT · ∇2f (X) · d < 0 f

Q dT = (0 0 0 1)

dT · ∇2f(X) · d = (0 0 0 1) ·Q(Xs, Xi) ·

0001

= −

i

Ki + 2

i

(t∗i − t∗s)2

4

Xs

ys = zs = t∗s = 0 4

i

(xs − xi)2>

i

−y2i − z2i + 3t∗2i

x2s −2

i xiN

xs +1

N

i

x2i + y2i + z2i − 3t∗i

2> 0

xs xs xs f

A = aij ∈ Mn(K) AJJ AJJ q(A(X)) =t X.A.X xj JJ x1 x1, x2x1, x2, x3

Page 117: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Cond(Q) = ||Q||.||Q−1|| Q

100 m

f ∇f(Xs) = 0

12∇f(Xs) = (

fi(Xs))M.Xs −M.(

fi(Xs)Xi)

∇f(Xs) = 0

Xs =

N

i=1

fi(Xs)j fj(Xs)

Xi (∗)

Page 118: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Mi mi

OG =N

i=1

miNj=1mj

OMi

(∗) fj

∇f(Xs) = 0

(xs, t∗s) = arg minx,t∗ (

1

2

N

i=1

(xs − xi)

2 − (t∗s − t∗i )22

) 1 i N

Contraintes de propagation : |xs − xi| = |t∗s − t∗i |Contraintes de causalite : t∗s < mini(t

∗i )

N YM ⊂ XN M < N

Page 119: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

(xs, t

∗s) (xs, t

∗s)

3 x1 = −200m, x2 =0m, x3 = 200m xs = 60m ts = 0 s 1 2 ts = 60−xs 3 ts = −60 + xs

Xs = (xs, t∗s) f ∇f(Xs) = 0

L =

LL

Xs −L ∇f(Xs −L) = 0

Page 120: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

3 t∗s = 60 − xs

f

∇f (xs, t∗) = 2

i

(xs − xi)(xs − xi)

2 − (t∗s − t∗i )2

i

(t∗i − t∗s)(xs − xi)

2 − (t∗s − t∗i )2

Xs

i (xs − xi)

(xs − xi)

2 − (t∗s − t∗i )2

= 0 (1)

i (t∗i − t∗s)

(xs − xi)

2 − (t∗s − t∗i )2

= 0 (2)

Xs − L

i (xs − xi − L)

(xs − xi − L)

2 − (t∗s − t∗i − L)2

= 0 (3)

i (t∗i − t∗s + L)

(xs − xi − L)

2 − (t∗s − t∗i − L)2

= 0 (4)

(3) ⇒

i (xs − xi)(xs − xi)

2 − (t∗s − t∗i )2 − 2L [(xs − xi)− (t∗s − t∗i )]

− L

i (xs − xi)

2 − (t∗s − t∗i )2

. . . + 2L2 i [(xs − xi)− (t∗s − t∗i )] = 0

⇒ −L

i (xs − xi)2 + L2

i [(xs − xi)− (t∗s − t∗i )]− L

i (xs − xi)2 − (t∗s − t∗i )

2

. . . + L

i (xs − xi) (t∗s − t∗i ) = 0

i

(xs − xi)2 − (t∗s − t∗i )

2

L

i

(xs − xi) − (t∗s − t∗i ) =

i

(xs − xi) ((xs − xi) − (t∗s − t∗i ))

xs − xi < 0 ∀i (xs − xi) − (t∗s − t∗i ) = 0 xs − xi < 0 ∀i (3)

Page 121: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

(4) (4) ⇒

i (t∗i − t∗s)

(xs − xi)

2 − (t∗s − t∗i )2 − 2L [(xs − xi)− (t∗s − t∗i )]

+ L

i (xs − xi)

2 − (t∗s − t∗i )2

. . .− 2L2 i [(xs − xi)− (t∗s − t∗i )] = 0

⇒ −2L

i (t∗i − t∗s) (xs − xi)− 2L

i (t

∗i − t∗s)

2 + L

i (xs − xi)2 − (t∗s − t∗i )

2

. . .− 2L2 i (xs − xi)− (t∗s − t∗i ) = 0

L

i

(xs − xi) − (t∗s − t∗i ) =

i

(t∗i − t∗s) ((xs − xi) − (t∗s − t∗i ))

Page 122: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

3 t∗s = t∗i −

(xs − xi)2 + y2s ∀ i

3

(xs, t∗s) = arg minx,t∗ (

1

2

N

i=1

((xs − xi)2 + (ys − yi)

2 − (t∗s − t∗i )2)2)

Contraintes de propagation : (xs − xi)2 + (ys − yi)

2 = (t∗s − t∗i )2

Contraintes de causalite : t∗s < mini(t∗i )

Page 123: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

R (R, t)

Page 124: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

R (R, t)

Page 125: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Xmax 1017 eV −1018 eV

Page 126: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA
Page 127: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

(θ, φ)

(θ, φ) 0, 1 (c2σ2

t )2 m4

Rs 0, 1−20 km

Page 128: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

10 km Rmode Rmoyen

σt(ns) Rtrue(m) Rmean(m) Rmode(m) σR(m)0

10

300 m 50 m

Page 129: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA
Page 130: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

c = 3.108m.s−1

1c = 3, 33ns.m−1

v < 3000m.s−1

1

v = 0, 33ms.m−1

4π steradian

Page 131: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

Xmax

0 0 = Ep|(v ∧ B)| + Epc 20%

Page 132: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

1016 eV

Page 133: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

3

α p(X|α) X α X L(α) =

Ni=1 p(Xi|α) p(Xi|α)

Xi α Xi Y (X) σi L(α) =

Ni=1 exp(− 1

2 .(Yi−Y (Xi)

σi)2).dY

95% 68% 99.7%, χ2

α p(α|X) X p(α|X) = p(X|α).p(α)

p(X) p(α) α X

Page 134: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

χ2

minimiser f(x)

soumis a ci(x) ≤ bi, i = 1, ...,m

x = (x1, ..., xn) f : Rn → R ci : Rn → R i = 1, ..., m b1, ..., bm xs

∀ z, c1(z) ≤ b1, ..., cm(z) ≤ bm, f(z) ≥ f(xs)

χ2 =

N

i=1

[0i − (α.Epi + β)]2

[(σ0i)2 + α2.(σEpi)2]

χ2 =N

i=1

(c.ti − c.t0 + xi.u+ yi.v

c.σi)2

x

Page 135: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

f : Rn → R 0 ≤ α ≤ 1 x y f

f(α.x+ (1− α).y) ≤ α.f(x) + (1 − α).f(y)

f f

ζ E

∀x, y ∈ ζ : (1 − α).x+ α.y ∈ ζ, ∀α ∈ [0, 1]

E P E E P P P A, B [AB] E P

Page 136: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

1902 3

A.x = b A cond(A) = λmax

λmin= A.A−1 . 1 : A1 =

maxjn

i=1 |aij | 2 : A2 =ρ(AtA) AFroebenius =

i,j |aij |2 aij ∞ : A∞ = maxin

j=1 |aij |

10−10 10−20

.1, .2, .∞, .Froebenuis 3000 1

λmax A λmin A ρ(A) = max|λi| A λi

.1 √.

Page 137: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

f (Xs) =1

2

N

i=1

f2i (Xs)

fi (Xs) = (Xs −Xi)T · M · (Xs −Xi) = −→rs −−→ri 2 − (t∗s − t∗i )

2 M

∇f (Xs) =

fi (Xs) · ∇fi (Xs)

∇fi (Xs) = 2M · (Xs −Xi)

∇f

∇f (Xs) =

fi (Xs) · ∇fi (Xs)

=

fi (Xs) · 2M · (Xs −Xi)

f

1

2∇f (Xs) =

fi (Xs)

M ·Xs −M ·

fi (Xs)Xi

∇2f (Xs) =

∇fi (Xs) · ∇fi (Xs)T

+

fi (Xs) · ∇2fi (Xs)

∇2fi (Xs) = 2M (AB)

T= BTAT

∇2f (Xs) =

∇fi (Xs) · ∇fi (Xs)T

+

fi (Xs) · ∇2fi (Xs)

=

2M · (Xs −Xi) · (2M · (Xs −Xi))T

+

fi (Xs) · 2M

=4M ·

XsXTs −XsX

Ti −XiX

Ts +XiX

Ti

·M + 2

fi (X)

·M

=4M ·NXsX

Ts +

XiX

Ti −Xs

Xi

T−

Xi

XT

s

·M + 2

fi (Xs)

·M

Page 138: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA
Page 139: Étude de l'énergie et du point d'émission radio des rayons cosmiques détectés dans l'expérience CODALEMA

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Study of the energy and the radio emission point of cosmic rays

Résumé

Le but de l’expérience CODALEMA, installée à l’bservatoire de radioastronomie de Nançay (France), est d’étudier la radiodétection des rayons cosmiques d’ultrahaute énergie. Le dispositif initial, réparti sur une aire de 0, 25 km2, utilise en coïncidence un réseau des détecteurs de particules et un réseau d’antennes. Utilisant cet appareillage, une nouvelle analyse visant à estimer l’énergie de la gerbe à partir des données radio est présentée. Nous déduisons qu’une résolution en énergie meilleure que 20% peut être atteinte et que, non seulement la force de Lorentz, mais aussi une contribution proportionnelle à la charge totale produite dans la gerbe atmosphérique joue un rôle significatif dans l’amplitude du champ électrique mesuré par les antennes (effet de cohérence ou d’excès de charge). Depuis 2011, un nouveau réseau de détection radio, constitué de 60 stations autonome auto-déclenchées est en déploiement sur une superficie de 1, 5 km2 autour du dispositif initial. Ce développement conduit à des défis spécifiques en termes d’identification des gerbes atmosphériques et de reconstruction de la courbure des fronts d’onde radio. Concernant la localisation de la source apparente de l’émission radio, pour les algorithmes de minimisation courants, nous soulignons l’importance du processus de convergence induit par la minimisation d’une fonction non linéaire des moindres carrés qui peut induire une dégénérescence des solutions. Une méthode alternative d’estimation est proposée.

Abstract

The purpose of the CODALEMA experiment, installed at the Nançay Radio Observatory (France), is to study the radio-detection of ultra-high-energy cosmic rays. Distributed over an area of 0,25 km2, the original device uses in coincidence an array of particle detectors and an array of short antennas. A new analysis of the energy reconstruction from radio data obtained with this device is presented. We suggest that an energy resolution of less than 20% can be achieved and that, not only the Lorentz force, but also another contribution proportional to all charged particles generated during the shower development, could play a significant role in the amplitude of the electric field measured by the antennas (as an effect of coherence or of charge excess). Since 2011, a new array of radio-detectors, consisting of 60 stand-alone and self-triggered stations, has been in deployment over an area of 1.5 km2 around the first device. This new development leads to specific challenges which are discussed in terms of recognition of cosmic rays and reconstruction of the curvature of radio wave fronts. For commonly-used minimization algorithms, we emphasize the importance of the convergence process induced by the minimization of a non-linear least squares function that affects the results in terms of degeneration of the solutions. We derive a simple method to obtain a satisfactory estimate of the location of the apparent emission source, which mitigates the problems previously.

L’Univesité Nantes Angers Le Mans

Etude de l’énergie et du point d’émission radio des rayonscosmiques détectés dans l’expérience CODALEMA

Ahmed REBAI