Etude des antiprotons d'origine atmospherique au voisinage de la Terre
Résumé
Secondary atmospheric antiprotons are studied. A parametrisation of the inclusive cross section for the pbar production in p+p and p+A collisions is developed, based on the Quark Counting Rule, the Regge Phenomenology and data fitting. This parametrisation is shown to have a good agreement with experimental data for incident nucleon energy at least up to 24 GeV/n in the laboratory frame. By the analysis of the pbar mean multiplicity distribution, this parametrisation can extend at least up to the centre of mass energy s^1/2 about 25 GeV. Based on this well developed parametrisation, the Wounded Nucleon Model is applied to obtained the pbar production cross section in A+A collisions. By including cosmic protons and heliums, the atmospheric pbar flux at high balloon and satellite altitudes are calculated. The He-induced collisions are shown to contribute about 30 % in the total secondary atmospheric pbar flux. It is observed that, for the interest of the pbar exotic origins such as the annihilation of supersymmetric dark matter (neutralino) and the evaporation of primordial black holes, the energy range up to E=200 GeV/n for cosmic particles generating the secondary atmospheric pbar production is the most important. It is shown that the secondary atmospheric pbar flux used to correct the pbar flux at TOA was underestimated in the previous works. In this work, the pbar flux at TOA is then modified 10-15 % lower than the originally deduced, for the energy range E_k>1 GeV. A pbar measurement experiment at the ground level is used to test the accuracy of secondary atmospheric pbar production calculated by different works. The results of the BESS 1999 experiment at 2.77 km have confirmed the correctness of the present approach. At the AMS altitude, it is shown that the pbar flux measured by AMS is almost the exact pbar flux at TOA, with only 2-3 % of the atmospheric pbar component. It is found that, even at very high altitudes, thousands of kilometres above the Earth, there are still some residual atmospheric antiprotons and their trajectories are very complex and cannot be well explained by the usual variables. Finally, the secondary atmospheric p flux at low altitudes are calculated. The deviation between the calculation and the measurements and the possible origins of this deviation are discussed. Comments, remarks and conclusions are given.
Cette these a pour objet l'etude de la production d'antiproton dans l'atmosphere. Une parametrisation de la section efficace inclusive pour la production d'antiprotons dans les collisions p+p et p+A est presentee, basee sur les regles de comptage de quarks, la phenomenologie de Regge et l'ajustement aux donnees. Cette parametrisation est en accord avec les donnees experimentales pour une energie incidente du nucleon au moins jusqu'a 24 GeV/n dans le laboratoire. Selon l'analyse de la distribution de la multiplicite moyenne d'antiprotons, cette parametrisation peut etre etendue sa validite jusqu'au moins s^1/2 environ 25 GeV dans le centre de masse. Avec cette parametrisation, le modele des nucleons touches est applique pour obtenir la section efficace de production d'antiprotons lors d'une collision A+A. Le flux atmospherique d'antiprotons aux altitudes des ballons et des satellites est calcule en incluant les protons et heliums cosmiques. Les collisions generees par l'helium contribuent pour environ 30% au flux total d'antiprotons atmospherique. Pour l'etude de l'origine exotique d'antiprotons, par exemple l'annihilation de la matiere sombre supersymetrique (les neutralinos) et l'evaporation des trous noirs primordiaux, les energies incidentes des particules cosmiques jusqu'a E=200 GeV/n contribuent le plus magnifiquement a la production d'antiprotons atmospheriques. Il est montre que le flux atmospherique d'antiprotons utilise pour corriger le flux d'antiprotons au dessus de l'atmosphere est sous-estime dans certains travaux precedents. Dans ce travail, le flux d'antiprotons au dessus de l'atmosphere est donc diminue de 10-15% par rapport au resultat original dans le domaine d'energie E_k> 1 GeV. Une experience de mesure d'antiprotons au sol est proposee pour valider la justesse de la production d'antiprotons calcules par les differents groupes. Les resultats de l'experience BESS 1999 a l'altitude de 2.77 km ont confirme la justesse de ce travail. A l'altitude d'AMS, le flux d'antiprotons mesure par cette experience dans la region polaire est pratiquement exclusivement constitue d'antiprotons cosmiques, avec une composante de seulement 2-3% d'antiprotons atmospheriques. Il est observe que, meme a tres haute altitude, quelques milliers de kilometres par exemple, il existe encore un flux residuel d'antiprotons atmospheriques dont les trajectoires sont tres compliquees et ne peuvent pas etre bien expliquees au moyen des variables habituelles. Finalement, le flux atmospherique de protons dans l'atmosphere est calcule. La deviation entre les calculs et les donnees ainsi que les origines possibles de cette deviation sont discutees.
Mots clés
modele des nucleons "touches
trous noirs primordiaux
flux d'antiprotons secondaires au niveau de l'atmosphere (TOA)
section efficace inclusive
regles de comptage de quarks
phenomenologie de Regge
multiplicite moyenne
modele des nucleons "touches"
matiere sombre supersymetrique
neutralino
trous noirs primordiaux.