Laboratoire Subatech
Activités de recherche et d'enseignement
Docteur en physique nucléaire
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Autobiographie
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Enregistrement de
l'état radio du ciel
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La correction « géomagnétique »
Effet géomagnétique :
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Hypothèse la plus simple :
Contribution proportionnelle à l'énergie
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Interprétations possibles (statistique de 315 événements)
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Localisation des sources d'émission radio
➢ Motivations
➢ Étude de la fonction objective
➢ Conséquences
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Déclenchement radio (trigger radio)
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Antenne en trigger radio Antennes déclenché par les scintillateurs
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Étude des parasites radio (RFI)
Identifier précisément les sources parasites => les localiser
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Localisation des RFI
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une reconstruction sphérique :
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Modèle et simulation de l'onde sphérique
Réseau test Propagation sphérique
1-Source à une distance Rs
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Effet de la résolution temporelle
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Étude de la convexité de f :
jacobien et hessien
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Pour le réseau 2D : l'enveloppe convexe devient
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Tentative de recherche directe
Pour éviter le piégeage dans des minima locaux ...
L'analyse de l'énergie « radio » a été approfondie
● Indication de plusieurs processus d'émission (excès de charge?, effet...
Nombre d'heures : 32 heures TPs d'instrumentation nucléaire.
Période : Janvier/2010 - Juin/2010.
Niveau : Élèves-ingénieur...
Encadrement
● Stage initiation à la recherche : LECOINTRE Guillaume étudiant en L3
physique. Sujet : Analyses des données ...
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Concours de recrutement des assistants des universités

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Vendredi 5 juillet 2013, Faculté des sciences de Tunis, Tunisie

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Concours de recrutement des assistants des universités

  1. 1. Laboratoire Subatech Activités de recherche et d'enseignement Docteur en physique nucléaire Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées Université de Nantes École des mines de Nantes Concours de recrutement des assistants, Tunisie Vendredi 4 juillet 2013
  2. 2. Autobiographie -Date de Naissance : 11/01/1985 -Juin 2003 : Baccalauréat (option mathématique), Mention bien et admission à l'institut préparatoire aux études d'ingénieurs de Tunis-IPEIT (option mathématique et physique). -Juillet 2005 : Admis à l'école national des sciences de l'informatique-ENSI (classé 220 Top 15%) au concours National d'accès aux cycles de formation d'ingénieurs. -Juin 2007 : Maîtrise de sciences physiques (option nanosciences/microtechnologies), Institut préparatoire aux études scientiques et techniques-IPEST (projet Tempus-meda). -Juin 2007 : Admis au concours d'accès aux cycles d'agrégation de sciences physiques, Rang : 1. -Juin 2008 : Admissibilité à l'oral du concours d'agrégation de sciences physiques (option physique) : 10 points au dessus de la barre d'admissibilité (Échec à l'oral). -Juin 2009 : Master 2 recherche en physique subatomique, bourse française du ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche, Université Blaise Pascal Clérmont Ferrand. -Juin 2013 : Docteur en physique nucléaire de l'université de Nantes/école des mines de Nantes.
  3. 3. Row 1 Row 2 Row 3 Row 4 0 2 4 6 8 10 12 Column 1 Column 2 Column 3
  4. 4. Les rayons cosmiques d'ultra haute énergie (RCUHE) Plusieurs régions : - Basses énergies - Genoux - Cheville Plusieurs origines : - solaire - galactique -extragalactique et ? Plusieurs techniques :  Directes : Satellites, ballons  Indirectes : réseaux de détecteurs au sol (fluorescence, particules, antennes) Problématiques ouvertes : Origine ? Nature ? Limite ? Loi de puissance : Flux ~ E-2,7 T. Stanev
  5. 5. Méthodes de détection des RCUHE Détections des particules au sol :  Cuves Cerenkov  Scintillateurs Détection de la lumière de fluorescence Avantages Inconvénients Détecteurs au sol Cycle utile de 100% Dépendance aux modèles hadroniques Grandes surfaces déployées > 1000 km2 Télescopes de fluorescence Faible dépendance aux modèles hadroniques Détection sur large volume Cycle utile de 10%
  6. 6. γγ ee e e γ γee Cascade électromagnétiqueCascade de pionsCascade de nucléons γe γe γe nπ° 2n(Κ± π± ...hadrons) Hadrons près du coeur Désintégration π± µ µ µµ ~90% de γ (>50 keV) ~9% d’électrons (>250 keV) ~1% µ (>1 GeV) faible fraction d'hadrons Sol z 1ère interaction Xmax Nmax Développement de la gerbe atmosphérique
  7. 7. Radio-détection des gerbes atmosphériques 9% électrons/positrons Mécanismes d'émission du signal radio Effet géomagnétique => déviation des électrons/positrons => émission dipolaire, courant transverse, émission synchrotron => polarisation linéaire Excès de charges négatives => variation temporelle => émission monopolaire => champ radial + Effet de cohérence + Composante Cerenkov (2010) Forme du signal radio Distance gerbe-antenne Forme du signal radio
  8. 8. L'expérience CODALEMA @ Nancay
  9. 9. Dispositif expérimental 24 Antennes dipoles courts 21 pol. Est-Ouest 17 Scintillateurs Trigger Mesure de l'énergie Direction d'arrivée Pieds de gerbe Décamétrique 18 groupes de 8 antennes log- périodiques phasées 30 Stations Autonomes 2 polar. Objectif : 60 ~ 1 km2 (Ricap 2011) 4 réseaux de détecteurs
  10. 10. Méthode de détection : CODALEMA II Enregistrement de l'état radio du ciel Enregistrement de l'état radio du ciel Déclenchem ent
  11. 11. Construction des observables physiques Hypothèse d'un front d'onde planfront d'onde plan u.x+v.y+w.z+cte = 0 Profil du champ électrique : Direction d'arrivée : θ angle zénithal ϕ angle azimuthal Modèle d'Allan : exponentielle décroissante : Ε = ε0 exp(-d/d0 (xc ,yc )) => ε0 champ électrique sur l'axe de la gerbe => d0 distance de décroissance de la gerbe => (xc ,yc ) pieds de gerbe radio Un transitoire = - Amplitude du maximum - Temps du maximum vecteur d'onde (u,v,w)
  12. 12. Étude complémentaire de la corrélation en énergie Objectif : amélioration des résultats précédemment obtenus A. Rebai et al., ArXiv:1210.1739, Oct. 2012 (soumis à Astro.ph) ARENA2012, AIP Conf. Proc. 1535, 99-104 (2013)
  13. 13. Mesure de l'énergie de la particule primaire avec l'observable radio ε0 ε0 Énergie du primaire Ep Facteurs de correction : +Géomagnétique + Excès de charge ?
  14. 14. Étude de la corrélation entre Ep et ε0 Ajustement de ε0 =α. Ep + β σ(Ep )/Ep ~ 30% σ(ε0 )/ε0 ~ 22% (par Monte-Carlo) Corrélation dépend : Erreurs sur Ep Erreurs sur e0 * Fit linéaire-linéaire * Erreur gaussienne * Indépendance entre ε0 et Ep Distribution des résidus (Ep -E0 )/Ep Analyse de σ (Εp −Ε0 )/Εp (Pas de fit Gaussien) Inversion => Energie « radio » E0 E0 = ε0 /α − β/α = a. ε0 + b
  15. 15. La correction « géomagnétique » Effet géomagnétique : ε0 ~ E.|(vXB)EO | ε'0 ~ E.|(v'XB)EO | => ε0 → ε0 /|(vXB)EO | Directions proche du champ géomagnétique => sur-estimation de l'énergie (Ep raisonnable) => Existence d'une contribution additionnelle ?
  16. 16. Mécanisme additionnel Hypothèse la plus simple : Contribution proportionnelle à l'énergie (i.e charge totale produite dans la gerbe) ε0 ~ E.|(vXB)EO | + E.c => ε0 → ε0 / ( |(vXB)EO | + c ) avec 0 < |(vXB)EO | < 1 et c > 0  Pour |(vXB)EO | ~ 1 et c~0 => meilleure résolution => dominance de l'effet géomagnétique |(vXB)EO |  Pour |(vXB)EO | ~ 0 et c grand => meilleure résolution => dominance de E.c  70 événements par fenêtre Critèredequalité Statistique globale : minimum pour c=0,95 (31%)
  17. 17. Synthèse de l'analyse Interprétations possibles (statistique de 315 événements) ε0 ~ E.|(vXB)EO | + E.c => indique un mélange de contributions ? ● 1er terme dépend de l'effet géomagnétique : dominant pour |(vXB)EO | ~ 1 ● 2eme terme dépend de la charge de la gerbe : dominant pour |(vXB)EO | ~ 0 => poids de c augmente quand |(vXB)EO | décroit => mécanisme d'excès des charges ? => autre interprétation : ε0 = E.|(vXB)EO |. ( 1 + c / |(vXB)EO | ) => Analogie avec la déflexion dans un champ magnétique ? => déviation plus grande des particules quand |(vXB)EO | croit => distance entre particules augmentent ? => effet de cohérence ?
  18. 18. Localisation des sources d'émission radio ➢ Motivations ➢ Étude de la fonction objective ➢ Conséquences A. Rebai et al., ArXiv:1208.3539, Sept 2012 (soumis à Astro.ph) ARENA2012, AIP Conf. Proc. 1535, 99-104 (2013)
  19. 19. Déclenchement radio (trigger radio) En 3 ansEn 4 jours Antenne en trigger radio Antennes déclenché par les scintillateurs Apparition de sources de parasites !!! Transition des expériences prototypes déclenchées par des détecteurs des particules vers des réseaux d'antennes auto-déclenchées à grandes surfaces
  20. 20. Étude des parasites radio (RFI) Identifier précisément les sources parasites => les localiser en position => => hypothèse d'une émission sphérique Sources anthropiques : Avions, Lignes électriques, transformateurs, moteurs électriques... Sources naturelles : orage, décharges Atmosphériques... Un problème à résoudre pour disposer d'une méthode de radio- détection auto-déclenchée efficace (trigger radio) !
  21. 21. Localisation des RFI ►Localisation correcte attendue pour une reconstruction sphérique : ● Sources immobiles ● Nombre grand d'évènements détectés + Effet position de source/réseau ►► Problème de la localisation ? ►►simulations numériques CODALEMA III TREND AERA
  22. 22. Modèle et simulation de l'onde sphérique Réseau test Propagation sphérique 1-Source à une distance Rs 2-Calcul des temps d'arrivée sur le réseau 3-Introduction des erreurs sur le temps 4-Génération de 1000 événements 5-Reconstruction du centre d'émission par minimisation d'une fonction objective par simplexe et Levenberg-Marquardt (LVM)
  23. 23. Effet de la résolution temporelle Algorithme de Simplexe : recherche direct (pas de calcul du gradient) Effet de l'erreur temporelle => recours à une estimation statistique <distance> => apparition d'un bias σt =0 ns σt =3 ns σt =10 ns Fuseaux de points : distance : mal reconstruit Direction (θ, ϕ): reconstruction satisfaisante
  24. 24. Algorithme LVM Sensibilité aux conditions initiales pour trouver la solution Effet des conditions initiales
  25. 25. Synthèse des simulations Lorsque la résolution temporelle augmente :  Dégradation de reconstruction => étalement des points  Apparition d'un biais => Nécessité d'une étude détaillée de cette minimisation sphérique Mais la résolution temporelle n'est pas le seul facteur ● Position relative de la source par rapport au réseau : ✔ Source externe au réseau => mauvaise reconstruction ✗ Source interne au réseau => bonne reconstruction  Localisation sensible aux algorithmes de minimisation (simplexe, Levenberg- Marquardt et linear-search)  Dépendance par rapport aux conditions initiales  Solutions multiples
  26. 26. Démarche suivie Étude de la convexité de f : jacobien et hessien Classification du problème de localisation dans un cadre plus général ● Problème mal posé au sens du Hadamard ● Problème mal conditionné Proposition d'une solution ● Coercivité de la fonction objective ● Critère de Sylvester Introduction de la notion de l'enveloppe convexe et du barycentre du réseau Réseau d'antennes 3D ??? Contourner les algorithmes : Méthode de recherche directe Méthode optimale ???
  27. 27. Cas du réseau à 2D (source interne) Pour le réseau 2D : l'enveloppe convexe devient la surface délimitant le réseau Cas réel : source à l'intérieur du réseau surfacique
  28. 28. Cas du réseau à 2D (source à l'extérieur) Présence de minimums locaux sur une demi-droite Cas réel : source au sol et à l'extérieur du réseau surfacique (sources RFI)
  29. 29. R(reconstruit)=4000 m R(reconstruit)=9700 m Tentative de recherche directe Pour éviter le piégeage dans des minima locaux => recherche directe du minimum de la fonction dans l'espace de phase calculé sur une grille 1 - Discrétisation de l'espace de phase 2 – Dimensionnement de l'espace => ajustement plan 3 - Calcul de valeur de f la grille 4 - Recherche de minimum absolu Pistes de travail Problématiques connexes ? (cf. Géophysique, Téléphonie, GPS...) Fusion de données (Profil d'amplitude (RLDF) + temps ?) La méthode reste peut être encore à trouver...
  30. 30. L'analyse de l'énergie « radio » a été approfondie ● Indication de plusieurs processus d'émission (excès de charge?, effet de cohérence?) ● Estimation - minorante - de la résolution en énergie (malgré la statistique et la simplicité du traitement) ~ 20% ● Perspectives: => LDF radio plus précise (distribution gaussienne, etc) => amélioration de la résolution La reconstruction de la position des sources radio dans le cadre d'une émission sphérique ● Observation des RFI et simulations => difficultés d'interprétation ● => Étude de la fonction objective: ● Rôle de l'enveloppe convexe des détecteurs / position de la source ● Rôle de la demi-droite (barycentre des antennes touchées - position réelle de la source) ● => Méthode alternative : calcul réseau espace de phase + recherche minimum absolue CONCLUSION
  31. 31. Nombre d'heures : 32 heures TPs d'instrumentation nucléaire. Période : Janvier/2010 - Juin/2010. Niveau : Élèves-ingénieurs (Option Système et Technologies Associés aux Réacteurs nucléaires STAR) BAC+4. Voir attestation dans le dossier de candidature. Janvier/2010 - Juin/2010 : 12 heures, TDs/Cours, semestre tremplin pour des étudiants en difficultés L1. Septembre/2010 - Octobre/2010 : 12 heures, TPs électronique, étudiants en L1. Janvier/2011 - Juin/2011 : 24 heures, TPs de modélisation en physique avec langage C, étudiants en classe prépa intégrée polytech-Nantes (équivalent L2). Septembre/2011 - Juin/2012 : 73 heures, TPs électronique et optique géometrique et TDs/Cours d'optique géométrique, étudiants en classe prépa intégrée polytech-Nantes. TPs modélisation en physique avec langage C pour les étudiants en L2 physique/géophysique. Enseignement
  32. 32. Encadrement ● Stage initiation à la recherche : LECOINTRE Guillaume étudiant en L3 physique. Sujet : Analyses des données issues de l'expérience de radio- détection des rayons cosmiques d'ultra haute énergie CODALEMA pour la détermination de rayons des courbures et les centres d'émission des gerbes Atmosphèriques. ● Travaux d'Initiative Personnelle Encadrée (TIPE) : HAFID Driss étudiant en classe préparatoire PC au Lycée Clemenceau Nantes. Sujet : mobilité- mouvement, nous avons choisi d'étudier l'eet d'un champ électromagnétique aléatoire sur l'accélération de particules chargées avec un cas simplié de l'équation de Fokker-Planck. ● Projet Master 1 : Chawki Ben Ali : Résolution numérique de l'équation de chaleur en utilisant une méthode de différence finie.

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