Détection de rayons gamma cosmiques et potentiel de découvertes avec le spectromètre AMS-02
Résumé
Yet designed to measure charged component of the cosmic rays, the foreseen Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) could also release gamma-ray studies, in the energy range from GeV to TeV, using the tracker system, for gamma-rays converted in e+e- pair, and the electromagnetic calorimeter. In the first part of the thesis are described the calibrations and the performances of the engineering model of the calorimeter, obtained from the analysis of data taken during a test-beam performed at CERN in July 2002. In the second part of the thesis, the AMS-02 discovery potential for gamma-astrophysics is presented. While exposure maps of the gamma-sky are computed for one year of data taking with the gamma-detectors, the acceptance of the calorimeter is obtained from Monte-Carlo simulations. The AMS-02 potential is then estimated for signals from the Vela pulsar and for some supersymmetric signals from the Galactic Center.
Le spectromètre magnétique AMS-02 sera installé sur la Station Spatiale Internationale en 2007 pour une durée minimale de 3 ans. Le rayonnement gamma du GeV au TeV est détectable au moyen du trajectomètre pour les gamma convertis en e+e- et du calorimètre électromagnétique pour les gamma non-convertis. Dans la première partie de cette thèse sont présentées la calibration et les performances du modèle d'ingénierie du calorimètre, résultant de l'analyse de données prises lors d'un faisceau-test mené au CERN en juillet 2002. Deux méthodes de calibration, basées sur des Particules au Minimum d'Ionisation (MIPs) et sur des électrons d'une énergie nominale fixe, sont développées. Les performances déduites - linéarité, résolutions en énergie et angulaire, mesure de la longueur de radiation - sont comparées aux simulations Monte-Carlo. Dans la seconde partie de cette thèse, le potentiel de découverte pour l'astrophysique gamma est présenté. Des cartes d'observabilité du ciel sont construites pour un an de fonctionnement des détecteurs-gamma. L'acceptance du calorimètre est considérée à l'aide de simulations Monte-Carlo, les protons n'activant pas le système de déclenchement chargé et les gamma, non-convertis en e+e-, arrivant sur le calorimètre. Des variables, basées sur la forme et la direction de la gerbe développée, sont construites et utilisées pour la discrimination gamma/proton. Une acceptance pour les gamma est trouvée et le flux de protons survivants comparé au flux attendu de gamma diffus. Si l'on s'intéresse à une source ponctuelle, la mesure du fond-gamma, basée sur le déplacement du cône de détection autour de la source ponctuelle, permet la soustraction de ce dernier fond. Puis, pour le pulsar Vela, la possibilité de distinguer au bout d'un an avec le spectre gamma les mécanismes d'émission est estimée. Enfin le potentiel du calorimètre pour l'observation d'un signal gamma supersymétrique provenant du Centre Galactique est illustré avec divers jeux de paramètres, ce pour un ou dix an(s) de fonctionnement.