Mythesis talk presentation_28_june_2013

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Mythesis talk presentation_28_june_2013

  1. 1. Laboratoire Subatech Étude de l'énergie et du point de l'émission radio des rayons cosmiques détectés par CODALEMA Ahmed Rebai Vendredi 28 juin 2013
  2. 2. Plan Introduction Les rayons cosmiques d'ultra haute énergie La radio-détection des rayons cosmiques L'expérience CODALEMA Contribution de la thèse Mesure de l'énergie du primaire Localisation de la source d'émission radio Mise en perspective & Conclusion 1
  3. 3. 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 2
  4. 4. Bref résumé des résultats actuels sur les rayons cosmiques d'ultra haute énergie 3
  5. 5. Origine des RCUHE Comment atteindre 100 EeV (1020 eV) ? Origine cosmologique (mécanisme top-down)  Désintégration de particules très massives (M.c2 ~ 1024 eV)  Signature : photons/neutrinos  Non favorisé par les données Auger (The Astrophysical Journal Letters, 755:L4 (7pp), 2012 August 10) Origine astrophysique (mécanisme bottom-up)  Accélération de Fermi des particules chargées (Fermi: Phys. Rev. 75, 1169, 1949) => Limite ~ 1018 eV  Proximité d'objets astrophysiques => Recherche des sources 4
  6. 6. Cartes du ciel à Ep >55 EeV Sources astrophysiques des RCUHE ? Hémisphère sud : Auger Hémisphère nord : TA/Hires TA/Hires :corrélation en position 44% (Astrophys.J. 757 (2012) 26) Auger :augmentation de statistique mais décroissance de la corrélation avec les AGN (61% à 33%) (Science 318 (2007) no. 5852, 938–943) Propagation : effet des champs magnétiques intergalactiques? 5
  7. 7. Propagation des RCUHE: la coupure GZK Controverse années 90 : AGASA(Japan)-Hires1(USA) 2008: la coupure GZK confirmée par TA/Hires (Phys, Rev. Lett. 101 (2008) 061101) par Auger en 2010 (Phys. Lett. B 685 (2010) 239–246) Interaction des RCUHE avec le fond diffus cosmologique Auger => Limite l'univers observable ~ 100 Mpc => Dépend de la nature 6
  8. 8. Nature des RCUHE Auger : alourdissement de la composition avec l'énergie (Phys.Rev.Lett.104:091101,2010) TA/Hires : allègement de la composition avec l'énergie (Phys.Rev.Lett.104:161101,2010) Xmax : profondeur du maximum de développement de la gerbe => liée à la nature du primaire Difficultés des mesures et des interprétations 7
  9. 9. Section efficace d'interaction des protons @ 57 TeV (Phys.Rev.Lett. 109 (2012) 062002) Contraintes pour les modèles hadroniques (QGSJET, Sibyll, Epos) utilisés en physique des particules 8
  10. 10. 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% 9
  11. 11. La radio-détection des gerbes atmosphériques : une méthode de détection complémentaire en évaluation 10
  12. 12. 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 atmosphérique11
  13. 13. 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 12
  14. 14. Excès de charge e- /e+ => monopôle Effet géomagnétique: vxB => dipôle ou synchrotron Modèles théoriques de l'émission radio Analyse en fréquence (1970) => approche forme d'onde (2001) Des approches multiples mais complémentaires Monte-Carlo: approche microscopique REAS3:REAS3: Corsica + géosynchrotron ReAIRES: AIRES + géosynchrotron SELFAS2 : géomagnétique + excès de charge Semi-analytique: approche macroscopique MGMR:MGMR: description simplifiée + effet cerenkov + courrant transverse + effet dipôle + « toy models »: test spécifiques de quelques points Excès de charge, Coulombien boosté, Indice de l'air,... modèles du filaire ou de charge ponctuelle… ⇒Vers une convergence des prédictions théoriques ⇒ Mais certains résultats expérimentaux ne sont pas toujours bien décrits 13
  15. 15. Les expériences en radio-détection (MHz) EASIER AUGER TREND AERA LOFAR LOPES 14
  16. 16. L'expérience CODALEMA @ Nancay 15
  17. 17. 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 16
  18. 18. Méthode de détection : CODALEMA II16 Enregistrement de l'état radio du ciel Enregistrement de l'état radio du ciel Déclenchem ent
  19. 19. 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) 17
  20. 20. Résultats de CODALEMA Modèle CODALEMA |vXB|EO =>Polarisation est-ouest du champ électrique => Amplitude du signal ~ |vXB|EO (D. Ardouin et al. Astro.ph 31 2009)  Déficit des événements près de l'axe magnétique Évidence d'un effet géomagnétique mécanisme de création du champ électrique Directions Amplitudes 18
  21. 21. Résultats de CODALEMA: (O. Ravel et al. , Nuc. Inst. Meth., A662 (2012) S89-S94 & thèse de T. Saugrin) Mesure de l’énergie « radio » Amplitude du champ électrique proportionnelle à l'énergie : ε0 ~ Ep L o g 1 0 ( E p ) Particules Radio Estimation de l'énergie particule : formalisme NKG + Méthode CIC => Résolution en énergie : σ(Ep )/Ep =30% (Thèse C.Rivière & arXiv:1210.1739) Sélection de 315 événements radio (Critères de sélection : direction d'arrivée et temps d'arrivée, Nombre d'antennes > 4, log(Ep )> 16,6 19
  22. 22. 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) 20
  23. 23. 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 21
  24. 24. 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 ? 22
  25. 25. 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%) 23
  26. 26. Résolution en énergie Monte-Carlo : Construction des distributions (E0 ,EP ) pour (∆Ep , ∆E0 ) fixés Construction de l'abaque σ (Ep -E0 )/Ep => σ(E0 ) ~20% => Estimation minorante de la résolution en énergie => Progrès attendue avec l'amélioration de la RLDF (profil gaussien ?) Spectre de l'énergie radio après étalonnage Énergie « radio » Énergie « particules » 31% 24
  27. 27. 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 ? 25
  28. 28. 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) 26
  29. 29. 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 27
  30. 30. 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) ! 28
  31. 31. 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 29
  32. 32. 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) 30
  33. 33. 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 31
  34. 34. Algorithme LVM Sensibilité aux conditions initiales pour trouver la solution Effet des conditions initiales32
  35. 35. 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 33
  36. 36. Démarche suivie Les algorithmes de minimisation sont basés sur la recherche des directions de descente de f pour atteindre le minimum (local ou global) ● La solution = le minimum de la fonction ● ● Minimum global => fonction convexe => unicité de la solution ● Minimum local => fonction non-convexe => plusieurs solutions => Etude des différentielles première (minimas) et seconde (convexité) Étude de la convexité de f : jacobien et hessien ● Coercivité de la fonction objective ● Critère de Sylvester ● Problème mal posé au sens d'Hadamard ● Problème mal conditionné Classification du problème de localisation dans un cadre plus général 34
  37. 37. Convexité de la fonction objective Raisonnement sur le mineur principal d'ordre 4 du hessien : Critère de Sylvester : f est convexe ⇔ Tout les mineurs de hessien sont positifs => Mineur négatif => f n'est pas convexe => existence de minima locaux On choisit Avec (avec M la matrice de Minkowski) Calcul symbolique : 35
  38. 38. Distribution des points critiques Recherche des minima : => « barycentre » des écarts spatio- temporels des d'antennes touchées  Existence d'une direction privilégiée barycentre-source au niveau de la reconstruction  Importance des antennes les plus proches de la source Analogie avec la formule de barycentre : Pour des géométries réelles => difficultés de résolution analytique => Approche intuitive => 1D => 2D => 3D ? => Calcul symbolique : +Barycentre 36
  39. 39. Cas simple d'un réseau 1D 3 hypothèse : ● Source à l'intérieur du réseau ● Source à l'extérieur et sur la droite ● Source à l'extérieur mais hors de la droite Source interne Rôle particulier d'un segment => enveloppe convexe Rôle des antennes les plus proches de la source Source externe 37
  40. 40. Cas du réseau 1D (source externe) Source hors de la droite Contraintes => cônes de lumière Résultats de minimisation (sans contraintes) => les solutions se trouvent sur une demi-droite Pour le reseau 1D : l'enveloppe convexe = segment de droite portant les antennes 38
  41. 41. 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 39
  42. 42. 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) 40
  43. 43. Classification de problème de localisation (1902) Un problème de physique est mal posé s'il : 1 - n'admet pas une solution (non-existence de solution) ou 2 - admet plusieurs solutions ou 3 - la solution dépend fortement des différents paramètres du problème (conditions initiales, conditions aux limites, erreurs dans les données) => Problème mal posé pour une source externe à l'enveloppe convexe du réseau d'antennes touchées (+ mauvais conditionnement de hessien => problème mal conditionné) => Problème de localisation bien posé pour une source interne à l'enveloppe convexe Jacques Hadamard 41
  44. 44. 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... 42
  45. 45. Cas des gerbes atmosphériques ? Peut-on assimiler une gerbe à une source apparente d'émission ponctuelle ? Observations : existence d'un décalage temporel par rapport au front d'onde plan Mais une seule réalisation par événement => Problème pour une estimation statistique de la position de la source Hypothèse : le maximum d'amplitude du signal lié à une région de développement de la gerbe (Xmax ?) 43
  46. 46. ➢ Mesure de l'énergie ➢ Mécanisme d'émission ➢ Localisation des sources ➢ CONCLUSION 44 Mise en perspective et conclusion
  47. 47. C. Glaser, K. Weidenhaupt (AERA),... Gap note en préparation, AUGER meeting 2013 => 28% F. Schröder (AERA) ICRC 2013 Résolution en énergie45
  48. 48. A. Lécacheux (CODALEMA) ICRC 2009 => déplacement du coeur radio/coeur particules V. Marin (CODALEMA) ICRC 2011 => Excès de charge T. Huege (AERA) ICRC 2013 => Analyse de polarisation => Excès de charge Φ= tan-1 (Ey /Ex ) a=Eradial / (Egeomag .sinα) Mécanismes d'émission => Interprétation actuelle du Champ électrique + 46
  49. 49. L. Mohrmann, S. Fliescher: PhD K. Weidenhaupt (AERA) Vulcano 2012 => Difficultés d'estimation de la position de la source => cf. AERA Contourner le problème : => Forme d'onde conique => pas de source ponctuelle ! Localisation des sources d'émission47
  50. 50. 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 CONCLUSION48
  51. 51. Question : What would your advice be to a young physicist who would like to receive the Nobel prize? G.C réponse: If I were a young experimentalist, I would do experimental physics with cosmic rays because they enable you to reach much higher energies than at the LHC, even if you have to build a 1 × 1 km2 or 10 × 10 km2 detector, and even if there’s only one good event per year – that one event will bring something extraordinary. Cern Courrier Feb 23, 2009 Georges Charpak : Prix Nobel de physique 1992 Coïncidence spatio-temporelle Henri Lebesgue est né le 28 juin 1875 Théorème de Morse-Sard : l'ensemble des point vérifiants ∇f=0 d'une fonction suffisamment régulière a une mesure de Lebesgue nulle Espace : Amphi Charpak !!! Temps

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