Cosmic-ray phenomenology and data analysis with the CREAM experiment
Mesure et phénoménologie du rayonnement cosmique avec l'expérience CREAM
Résumé
The sources of Galactic cosmic-ray (GCR) nuclei are still poorly identified. This is partly due to the diffusive propagation (in turbulent magnetic fields) that erases all directional information about the measured fluxes. The species that are predominantly created and accelerated in the sources are denoted 'primary species'. Those mostly created by spallation of heavier primary species are de- noted 'secondary species'. While primary fluxes give access to the source parameters, secondary- to-primary ratios trace propagation processes. Key quantities for such studies are the fragmentation cross sections on the interstellar gas and the measured fluxes and ratios. In the first part of this the- sis, we provide new constraints on the Galactic propagation parameters from the quartet of elements (1 H,2 H,3 He,4 He), relying on a new estimate of their cross sections and a detailed statistical analysis. The derived constraints are competitive with those obtained from the standard B/C ratio analysis. The results are however limited by the precision of current measurements and motivate the development of new experiments. The second part of this thesis is dedicated to the analysis of cosmic-ray fluxes measured with the CREAM balloon-borne experiment. We present the particle identification in the detector, the estimation of efficiencies for each sub-detector, the energy reconstruction, and the at- mospheric correction. Applied to the 3rd flight data (CREAM-III), we provide new data points for the boron, carbon, nitrogen and oxygen elements above 100 GeV/n.
Le rayonnement cosmique galactique nucléaire est composé de noyaux de différentes espèces et ses sources sont encore mal identifiées. Cette méconnaissance est en partie due au caractère diffusif de la propagation des noyaux dans les champs magnétiques dont la composante turbulente supprime toute information sur la position des sources. Dans le rayonnement cosmique, on distingue les noyaux pri- maires qui sont principalement créés puis accélérés près de leurs sources des noyaux secondaires, uniquement créés par spallation des primaires plus lourds. La mesure des rapports d'abondance se- condaire sur primaire permet d'étudier les processus de propagation et donc de remonter aux méca- nisme sources du rayonnement cosmique. Cette étude apporte de plus une meilleure compréhension de l'environnement astrophysique galactique. Ce travail nécessite une très bonne connaissance des sections efficaces d'interaction du rayonnement cosmique dans le milieu interstellaire qui régissent la modification des abondances lors de la propagation. La première partie de cette thèse est dédiée à la contrainte des paramètres de propagation du rayonnement cosmique galactique via l'étude des abondances des éléments du quartet (1 H,2 H,3 He,4 He). À partir d'une nouvelle estimation des sections efficaces, une analyse statistique a permis de démontrer le potentiel de ces éléments pour contraindre les modèles de propagation du rayonnement cosmique. En effet, les contraintes ainsi obtenues se sont montrées compétitives avec celles issues des analyses B/C actuelles. Ces contraintes restent ce- pendant limitées par la précision statistique des mesures actuelles et justifient la mise en œuvre de nouvelles expériences. La deuxième partie de cette thèse est dédiée à la mesure des abondances avec l'expérience CREAM, une expérience embarquée en ballon. Cette mesure nécessite l'identification des éléments dans le détecteur, le calcul des efficacités des sous-détecteurs, la déconvolution des effets dus aux erreurs sur la mesure de l'énergie ainsi que la prise en compte des effets atmosphé- riques. Cette analyse des données du 3ème vol de CREAM a permis une estimation des abondances des éléments bore, carbone, azote et oxygène au-dessus de 100 GeV/n.