Study of the Ultra-High Energy Cosmic-Rays with the Pierre Auger Observatory : from extraction of signal to interpretation of energy spectrum

Etude des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie avec l'Observatoire Pierre Auger : de l'extraction du signal à l'interprétation du spectre en énergie

Quentin Luce (1)

1 IPNO - Institut de Physique Nucléaire d'Orsay

The origin and the composition of the cosmic rays, almost one century after their discovery, remain an open question. Results of some experiments dedicated to their detection are even contradicting themselves at energies above 10¹⁸ eV. At these energies, the flux of the cosmic rays reaching the Earth is so low that direct detection is unthinkable in a reasonable time scale. The collaboration Pierre Auger has thus built, in the Argentine Pampa, an observatory covering an area of 3000 km² to determine the energies, masses and arrival directions of cosmic rays. Deployed detection techniques make the Pierre Auger Observatory a reference in the field of Ultra-High Energy. During the three years of my thesis, I had the chance to study the detection methods deployed by this experiment, focusing on its surface detector from the extraction of its signal to the reconstruction of the arrival direction and energy of the cosmic ray, which are presented in this manuscript along with the optimizations developed. The energy spectrum of cosmic rays is then reconstructed. The study of this spectrum, combined with the observables of composition, deduced from the fluorescence detector, allows its interpretation in term of mass. Acceleration and propagation models in Galactic or extragalactic environment can then be constrained by this combined study.

L’origine et la composition des rayons cosmiques demeurent, presque un siècle après leur découverte, une question ouverte, certains résultats des expériences de détection des rayons cosmiques se contredisant même, aux énergies supérieures à 10¹⁸ eV. A ces énergies, le flux reçu sur Terre est si faible qu’une détection directe est impossible sur une échelle de temps raisonnable. La collaboration Pierre Auger a ainsi construit dans la Pampa argentine, un observatoire couvrant une surface de 3000 km² afin de déterminer les énergies, les masses et les directions d’arrivée des rayons cosmiques. Les techniques de détection déployées font de l’Observatoire Pierre Auger une référence dans le domaine des Ultra-Hautes Énergies. Durant les trois années de mon doctorat, il m’a été donné l’opportunité d’étudier les méthodes de détection déployées par cette expérience et de m’intéresser spécialement à son détecteur de surface dont l’extraction du signal jusqu’à la reconstruction des directions d’arrivée et des énergies des rayons cosmiques sont présentées dans ce manuscrit avec les optimisations développées, permettant l’établissement du spectre des rayons cosmiques. L’étude de ce spectre, combinée à celle des observables de composition, obtenues par le détecteur de fluorescence, permet son interprétation en terme de masse afin de contraindre les modèles d’accélération et de propagation dans le milieu Galactique ou extragalactique.

Mots clés: Spectrum; Pierre Auger Observatory; Cosmic Rays; Composition

Mots clés: Spectre; Observatoire Pierre Auger; Composition; Rayons cosmiques

Domaines: Phénomènes cosmiques de haute energie [astro-ph.HE]; Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]

Quentin Luce. Etude des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie avec l'Observatoire Pierre Auger : de l'extraction du signal à l'interprétation du spectre en énergie. Phénomènes cosmiques de haute energie [astro-ph.HE]. Université Paris-Saclay, 2018. Français. ⟨NNT : 2018SACLS253⟩. ⟨tel-01897352⟩