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Auger APC

Thesis
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Benjamin Rouillé d'Orfeuil (2004-2007)

Recherche de sources et d'anisotropies dans le RCUHE au sein de la collaboration Pierre Auger (ManuscriptDefence)

Les rayons cosmiques ultra-énergétiques (RCUE) suscitent de nombreux efforts tant observationnels que théoriques. L'origine de ces particules d'énergie macroscopique - jusqu'à quelques dizaines de Joules - n'a toujours pas été clairement identifiée et fait l'objet de vives discussions. La recherche des sources des RCUE ou de structures associées à ces sources est l'un des objectifs principaux de l'Observatoire Pierre Auger. Nous utilisons les données de l'Observatoire Pierre Auger, effectif depuis le 1er janvier 2004, pour découvrir des anisotropies aux petites et aux grandes échelles angulaires. Les algorithmes développés à cette fin reposent sur la connaissance précise de la couverture du ciel observé par le détecteur. Il s'agit de la distribution moyenne de particules attendue dans chaque direction du ciel dans l'hypothèse où le flux de RCUE est isotrope. La probabilité de détecter un rayon cosmique dans l'une des directions du ciel n'étant pas constante au cours du temps une étude approfondie des variations temporelles du flux d'événements enregistré par l'Observatoire Pierre Auger est indispensable pour correctement estimer la carte de couverture. Nous verrons alors que le développement des cascades de particules que créent les RCUE lorsqu'ils pénètrent dans l'atmosphère se trouve être affecté par les conditions météorologiques. Toutes ces études constituent un important volet de cet ouvrage, lequel est complété par la mesure du spectre d'énergie des RCUE corrigé des effets atmosphériques. Nous faisons tout d'abord le point sur la phénoménologie des RCUE, passons en revue les résultats des expèriences qui ont précédé l'Observatoire Pierre Auger et présentons les techniques de détection des gerbes atmosphériques.

Eric Armengaud (2003-2006)

Propagation et distribution sur le ciel des UHECRs dans le cadre de l'observatoire Pierre Auger (Manuscript)

L'origine des rayons cosmiques d'ultra haute énergie reste une énigme de la physique contemporaine, que l'Observatoire Pierre Auger, détecteur hybride d'une taille inégalée, va tenter de résoudre. L'observation directe des sources de ces particules, ou de structures à grande échelle sur le ciel associées à ces sources, est un des premiers objectifs de cet observatoire. De telles observations permettront aussi de contraindre la propagation des rayons cosmiques, qui, entre leurs sources et la Terre, subissent d'une part des interactions sur des fonds de photons de basse énergie, et d'autre part des déflections dans des champs magnétiques astrophysiques. Cette thèse comprend deux volets, afin d'observer les sources des rayons cosmiques avec l'Observatoire Auger et de les modéliser.

Nous commencons par décrire en détail l'Observatoire Pierre Auger, et nous intéressons ensuite à l'acceptance de son détecteur de surface afin de pouvoir construire des cartes de couverture précise du ciel, outil indispensable à l'étude des anisotropies. Nous présentons ensuite des méthodes de recherche d'anisotropies sur le ciel, et analysons les deux premières années de prise de données de l'Observatoire.

Après une description des phénomènes susceptibles d'influencer la propagation et l'observation de sources de rayons cosmiques d'ultra-haute énergie, nous présentons des simulations numériques destinées à prédire des observables telles que le spectre, les anisotropies et la composition mesurables par Auger, en fonction de différents modèles astrophysiques. Nous montrons que les champs magnétiques extragalactiques peuvent jouer un role crucial, surtout si les rayons cosmiques sont en partie des noyaux lourds. Enfin, nous montrons que la propagation de ces particules depuis une source proche génère des flux secondaires de rayons gamma qui pourront ètre détectés par des télescopes gamma au TeV.

Gilles Maurin (2002-2005)

Etude de la nature des rayons cosmiques d'ultra haute énergie à partir des premières données de l'Observatoire Pierre Auger (Manuscrit, Presentation)

Du fait de leur faible flux, l'existence des rayons cosmiques d'ultra haute énergie (RCUHE, E>10^18eV) est une énigme depuis plus d'un demi siècle. On ne connait en effet ni leur origine, ni leur nature, ni meme l'énergie maximale qu'ils peuvent atteindre. Pour obtenir une statistique suffisante et répondre à ces questions, l'Observatoire Pierre Auger est actuellement en construction en Argentine et sera à terme complété par un deuxième détecteur au Colorado afin de scruter le ciel de l'hémisphère nord. L'origine et la nature des RCUHE étant liées, l'identification du primaire est une étape cruciale pour valider, réfuter ou contraindre les nombreux modèles théoriques capables d'expliquer leur production. En particulier, la présence de photons ou de neutrinos peut etre la signature de modèles impliquant de la nouvelle physique (défauts topologiques, particules supermassives...). Le travail de cette thèse s'insère donc dans ce cadre en cherchant à identifier la nature des RCUHE observés par l'observatoire depuis le mois de janvier 2004. Après avoir récapitulé les résultats des expériences précédentes et présenté les méthodes de détection, ce manuscrit décrit les modèles théoriques en soulignant le type de particules de haute énergie qu'ils peuvent produire. La partie suivante traite des différentes méthodes utilisées par l'observatoire pour permettre l'identification du primaire par la gerbe qu'il crée dans l'atmosphère. Divers critères sont finalement testés sur des simulations puis utilisés dans une analyse qui a permis d'estimer la composition hadronique et de chercher la présence de photons parmi les RCUHE.

Fabrice Cohen (2000-2003)

Simulation de gerbes atmosphériques aux énergies de l'Observatoire Pierre Auger et fonction de distribution latérale (Manuscrit et Presentation)

L'Observatoire Pierre Auger est la plus importante expérience jamais concue dans le domaine de la détection des rayons cosmiques d'ultra haute énergie. Sa superficie de 3000 km^2 par site doit apporter la statistique au delà de 10^19 eV afin d'en comprendre leur origine. Son mode de détection hybride des gerbes atmosphériques doit permettre une grande précision sur la reconstruction de l'énergie primaire et sur la direction d'arrivéee. Après avoir exposé l'historique des rayons cosmiques, et la problématique liée aux énergies extremes, nous décrirons les détecteurs de l'Observatoire Pierre Auger, ainsi que les motivations et les contraintes é l'installation sur le site. Dans une troisième partie, nous abordons la simulation des phénomènes de gerbe atmosphérique. Nous débuterons par la description de l'interaction primaire à très haute énergie, où les modèles d'interaction hadronique doivent etre extrapolés, puis nous poursuivrons par la cascade électromagnétique et la composante pénétrante que les détecteurs de fluorescence et de surface détectent. L'étude par la simulation de la distribution latérale (décroissance du signal en fonction de la distance au coeur de la gerbe) nous a conduit à proposer une nouvelle fonction de distribution latérale qui permet de s'ajuster aux gerbes individuelles et é terme, avoir une meilleure estimation de l'énergie primaire gerbe à gerbe. Cette nouvelle fonction a été appliquée aux données du réseau prototype. Nous terminerons par une présentation des données du réseau prototype installé dans la Pampa par la reconstruction de ses événements.