Reconstruction des gerbes atmosphériques et mesure de la fluorescence de l'air pour l'étude des rayons cosmiques ultra énergétiques au sein du projet EUSO
Résumé
The EUSO project (Extreme Universe Space Observatory) is an innovative concept to measure the UHECR (UltraHigh Energy Cosmic ray) spectrum by observing from space the light (air fluorescence and Cerenkov radiation) produced in the atmosphere by EAS (Extensive Air Shower).
After an overview of the scientific context and an EUSO project description, a reconstruction method of EAS seen from space is presented. This new method enable one to reconstruct the UHECR parameters (Energy, direction, Xmax) using only the fluorescence signal shape (without extra information). This method is very efficient for the horizontal EAS.
The second part of this thesis deals with the study and the measurement of the air fluorescence with the MACFLY experiment (Measurement of Air Cerenkov and Fluorescence Light Yield). After a state of the art on the air fluorescence knowledge, a model of FLY (Florescence Light Yield) proportional to the Energy released in air is proposed.
The experiment MACFLY and the data analysis method are described in detail. The experiment is composed of two devices. The first (Macfly1) which measures the fluorescence produced by only one particle measure the FLY of electron of 1.5 MeV (radioactive source), 20 GeV and 50 GeV (CERN test beam). The second (Macfly2) which measure the fluorescence produced by an electromagnetic shower, was the first experiment to measure the shower age dependence of the FLY. The pressure dependence was also measured by the two devices.
Thanks to a GEANT4 simulation program, we compare our measurements with the FLY models. The assumption of the proportionality between the FLY and the energy deposited has been checked. One finds the same result with Macfly1 and Macfly2. In the air at 950 hPa, 23°C and 0% of moisture one obtains:
FLY=19 ± 4 photons/MeV
After an overview of the scientific context and an EUSO project description, a reconstruction method of EAS seen from space is presented. This new method enable one to reconstruct the UHECR parameters (Energy, direction, Xmax) using only the fluorescence signal shape (without extra information). This method is very efficient for the horizontal EAS.
The second part of this thesis deals with the study and the measurement of the air fluorescence with the MACFLY experiment (Measurement of Air Cerenkov and Fluorescence Light Yield). After a state of the art on the air fluorescence knowledge, a model of FLY (Florescence Light Yield) proportional to the Energy released in air is proposed.
The experiment MACFLY and the data analysis method are described in detail. The experiment is composed of two devices. The first (Macfly1) which measures the fluorescence produced by only one particle measure the FLY of electron of 1.5 MeV (radioactive source), 20 GeV and 50 GeV (CERN test beam). The second (Macfly2) which measure the fluorescence produced by an electromagnetic shower, was the first experiment to measure the shower age dependence of the FLY. The pressure dependence was also measured by the two devices.
Thanks to a GEANT4 simulation program, we compare our measurements with the FLY models. The assumption of the proportionality between the FLY and the energy deposited has been checked. One finds the same result with Macfly1 and Macfly2. In the air at 950 hPa, 23°C and 0% of moisture one obtains:
FLY=19 ± 4 photons/MeV
Le projet EUSO (Extreme Universe Space Observatory) est basé sur un concept novateur pour mesurer le flux de RCUE (Rayon Cosmique Ultra Energétique) en observant depuis l'espace la lumière (fluorescence de l'air et rayonnement Cerenkov) produite par les gerbes atmosphériques.
Après une vue générale du contexte scientifique et une description du projet EUSO, une méthode de reconstruction des gerbes vues depuis l'espace est présentée. Cette méthode originale permet de reconstruire les caractéristiques d'un RCUE en utilisant uniquement la forme du signal de fluorescence produit par la gerbe au cour de temps (sans autre source d'information). Cette méthode a des résultats particulièrement intéressants pour les gerbes horizontales.
La deuxième partie de cette thèse concerne l'étude et la mesure de la fluorescence de l'air grâce à l'expérience MACFLY (Measurement of Air Cerenkov and Fluorescence Light Yield). Après un état de l'art de nos connaissances dans le domaine, un modèle de FLY (quantité de lumière produite par fluorescence) proportionnelle à l'énergie déposée dans l'air est proposé. Ensuite l'expérience MACFLY et la méthode d'analyse des données utilisée sont décrites en détail. L'expérience est composé de deux dispositifs. Le premier (Macfly1) qui mesure la fluorescence produite par une seule particule a mesuré la FLY d'électron de 1,5 MeV (source radioactive), 20 GeV et 50 GeV (faisceau test du CERN). Le deuxième (Macfly2) qui mesure la fluorescence produite par une gerbe électromagnétique, a permis de faire la première mesure mondiale de la dépendance de la FLY avec l'âge de la gerbe. La dépendance en pression a également été mesurée avec les deux dispositifs.
Grâce à un programme de simulation GEANT4, nous comparons nos mesures aux modèles de fluorescence. L'hypothèse de la proportionnalité entre la FLY et l'énergie déposée dans l'air a été vérifiée. On trouve le même résultat avec Macfly1 et Macfly2. Dans l'air à 950 hPa, 23°C et 0% d'humidité on obtient :
FLY=19 ± 4 photons/MeV
Après une vue générale du contexte scientifique et une description du projet EUSO, une méthode de reconstruction des gerbes vues depuis l'espace est présentée. Cette méthode originale permet de reconstruire les caractéristiques d'un RCUE en utilisant uniquement la forme du signal de fluorescence produit par la gerbe au cour de temps (sans autre source d'information). Cette méthode a des résultats particulièrement intéressants pour les gerbes horizontales.
La deuxième partie de cette thèse concerne l'étude et la mesure de la fluorescence de l'air grâce à l'expérience MACFLY (Measurement of Air Cerenkov and Fluorescence Light Yield). Après un état de l'art de nos connaissances dans le domaine, un modèle de FLY (quantité de lumière produite par fluorescence) proportionnelle à l'énergie déposée dans l'air est proposé. Ensuite l'expérience MACFLY et la méthode d'analyse des données utilisée sont décrites en détail. L'expérience est composé de deux dispositifs. Le premier (Macfly1) qui mesure la fluorescence produite par une seule particule a mesuré la FLY d'électron de 1,5 MeV (source radioactive), 20 GeV et 50 GeV (faisceau test du CERN). Le deuxième (Macfly2) qui mesure la fluorescence produite par une gerbe électromagnétique, a permis de faire la première mesure mondiale de la dépendance de la FLY avec l'âge de la gerbe. La dépendance en pression a également été mesurée avec les deux dispositifs.
Grâce à un programme de simulation GEANT4, nous comparons nos mesures aux modèles de fluorescence. L'hypothèse de la proportionnalité entre la FLY et l'énergie déposée dans l'air a été vérifiée. On trouve le même résultat avec Macfly1 et Macfly2. Dans l'air à 950 hPa, 23°C et 0% d'humidité on obtient :
FLY=19 ± 4 photons/MeV
Fichier principal
tel-000103361.pdf (6.56 Mo)
Télécharger le fichier
tel-00010336.pdf (5.27 Mo)
Télécharger le fichier
Format : Autre