Bruit de fond de ciel et temps morts : le cas M31

M31 est une source intrins`equement brillante, de magnitude 4.3. Cela a eu pour cons´equence un fort courant d’anode lors des observations, ce qui est en principe bien contrˆol´e, mais a induit ´egalement des effets tout `a fait inattendus au niveau du d´eclenchement. Rappelons que le d´eclenchement de CELESTE se fait grˆace `a un module dit “voteur majoritaire” (V495) qui d´eclenche la lecture des codeurs lors d’une co¨ıncidence de 4 groupes sur 6 (3 sur 5 avant 2002) au-del`a d’un seuil fix´e. Le g´en´erateur de portes lo-giques (V486), qui est charg´e d’envoyer au voteur une porte d`es lors qu’un groupe franchit son seuil, est affect´e d’un temps mort qui est tout `a fait n´egligeable en condition normale.

Or, le bruit de fond de ciel excessif dˆu `a une forte luminosit´e induit une saturation de ce

dernier module, qui provoque la non lecture d’´ev´enements (temps mort suppl´ementaire). La d´etermination du seuil de d´eclenchement se trouve in´eluctablement affect´ee par cette sous-estimation du taux de comptage brut, sans que l’on s’en rende compte directement. Par cons´equent, le seuil de d´eclenchement optimal d´etermin´e par la mani`ere standard (cf. § 7.5) nous place dans un r´egime o`u le g´en´erateur de porte est satur´e. Ceci pose un

probl`eme difficile `a r´esoudre lors de l’analyse, car on se trouve dans une situation o`u le

temps mort du point´e “On-source” (tr`es bruit´e) est tr`es diff´erent de celui du “Off-source”. C’est l’apparition d’un anti-signal fort dans les donn´ees de M31, ainsi que l’´etude de l’effet d’une ´etoile brillante dans le Off de Markarian 421 qui ont permis de mettre cette source

d’erreur syst´ematique en ´evidence. Nous verrons dans cette partie comment il est possible de s’en affranchir, et ´eventuellement mˆeme de la corriger.

10.2.1 Luminosit´e et taux de bruit

Le taux de photo-´electrons attendu en sortie des photomultiplicateurs peut

ˆetre grossi`erement estim´e. En effet, pour une luminosit´e de ciel L_∗ (exprim´ee en

γ.m.−2sr.−1s−1), le taux de photo-´electrons pour un photomultiplicateur s’´ecrit :

L_∗,pe ' L∗× Q× Ωh´el× Sh´el γ-e/s (10.3)

o`u Qest l’efficacit´e quantique du photomultiplicateur (environ 20% pour CELESTE), Ωh´el

et Sh´el sont respectivement le champ de vue et la surface d’un h´eliostat (respectivement

5.10−2 sr et 54m2). Dans CELESTE, le bruit de fond mesur´e est de l’ordre de 1.4×109 γ −

e/s, ce qui donne une luminosit´e d’environ 1.4 × 1012γ.m.−2sr.−1s−1.

De mˆeme, `a partir de la magnitude de M313, il est possible de d´eterminer sa luminosit´e.

En effet, la puissance P rayonn´ee par longueur d’onde s’´ecrit pour un astre de magnitude m (magnitude int´egr´ee sur un angle solide) :

dP

dλ ^{= 10}

−0.4m−15.3 J/cm²/s/A. (10.4)

On peut ainsi remonter de fa¸con approximative au taux de bruit de fond relatif `a M31,

LM 31,pe, et le rapport LM 31,pe/L_∗,pe ' 2.5. C’est l`a l’origine du temps mort suppl´ementaire

introduit au niveau du module de mise en temps V486. Rappelons que ce temps mort peut biaiser la d´etermination du seuil (d´eclenchement des groupes moins efficace, voir § 8.1.2).

10.2.2 V486 : temps mort et cons´equences

Comme nous l’avons mentionn´e au § 8.1.2, le passage `a 53 h´eliostats `a l’automne 2002 a vu l’apparition d’un temps mort suppl´ementaire affectant chaque groupe du module de d´eclenchement. La prise en compte de cet effet dans la d´etermination du seuil lors des observations n’´etant intervenue qu’au d´ebut de l’ann´ee 2003, les donn´ees ant´erieures (prises `a 6 groupes) sont sujettes `a des diff´erences significatives d’efficacit´e entre le On et le Off.

Il faut souligner ici que ¸ca n’est pas la correction du temps mort d’acquisition qui est probl´ematique. En effet, l’un des crit`eres de s´election des donn´ees est la stabilit´e du taux de comptage. Cela signifie que l’(in)efficacit´e d’acquisition est stable sur la dur´ee d’une prise de donn´ees, et que la correction `a apporter y est globale pour tous les ´ev´enements. En revanche, le temps mort du V486 affecte les ´ev´enements diff´eremment selon leur type ( cf. § 8.1.2 pour sa d´efinition des types).

Dans le tableau 10.1, on constate effectivement que les donn´ees 2002-2003 ont des ´ecarts d’efficacit´e significatifs, essentiellement pour les ´ev´enements de types 4 et 5 (on requiert toutefois une majorit´e de 5/6 `a l’analyse) ; il est donc difficile d’appliquer une correction globale. C’est l`a un facteur d’erreurs syst´ematiques important si l’on op`ere 3On trouvera dans [118] des mesures de magnitude op´er´ees sur M31 ; il convient d’utiliser la magnitude int´egr´ee dans le champ de vue de CELESTE, correspondant donc `a un rayon angulaire de 5 mrad (17.2 minutes d’arc). Cette magnitude vaut mB∼ 5.5.

Paire Efficacit´e Efficacit´e Efficacit´e Efficacit´e

On-Off d’acquisition type 4 type 5 type 6

On/Off On/Off On/Off On/Off

14203-04 0.8832/0.8854 0.6024/0.7426 0.9269/0.9778 0.9919/0.9990 14219-20 0.8866/0.8842 0.7278/0.8158 0.9823/0.9950 0.9994/0.9999 15120-21 0.8391/0.8422 0.7812/0.8943 0.9756/0.9953 0.9983/0.9999 15126-27 0.8460/0.8330 0.7996/0.9156 0.9800/0.9973 0.9987/1.0000 15128-29 0.8453/0.8413 0.8093/0.9087 0.9819/0.9968 0.9989/0.9999 15156-57 0.8369/0.8167 0.7390/0.8642 0.9555/0.9886 0.9940/0.9993 15185-84 0.8462/0.8437 0.7278/0.9117 0.9544/0.9957 0.9943/0.9999 15191-90 0.8258/0.8246 0.8777/0.9685 0.9912/0.9995 0.9995/1.0000 15192-93 0.8311/0.8225 0.8839/0.9562 0.9920/0.9990 0.9996/1.0000 15198-99 0.8295/0.8330 0.8949/0.9582 0.9934/0.9990 0.9997/1.0000 15236-37 0.8109/0.8101 0.8049/0.9321 0.9766/0.9974 0.9979/0.9999 15238-39 0.8114/0.8085 0.8263/0.9413 0.9812/0.9980 0.9985/1.0000 15245-46 0.8133/0.8075 0.8282/0.9425 0.9816/0.9981 0.9985/1.0000

Tab. 10.1 – Efficacit´es d’acquisition et du V486 pour les donn´ees 2002-03, prises en

majorit´e 4/6 au d´eclenchement. Les efficacit´e du module V486 sont donn´ees pour les ´ev´enements de types 4, 5 et 6. On remarque un ´ecart important et syst´ematique entre le On et le Off pour les efficacit´es des ´ev´enements de type 4. Les donn´ees les plus affect´ees par le temps mort du V486 sont indiqu´ees en rouge dans le tableau, en consid´erant que seuls les ´ev´enements de types 5 et 6 sont retenus dans l’analyse.

une soustraction On-Off.

La mani`ere la plus simple de s’affranchir de ces effets est de ne conserver que les ´ev´enements de type 6, qui ne sont gu`ere affect´es par l’inefficacit´e du V486. L’inconv´enient majeur de cette m´ethode est de r´eduire significativement la statistique, essentielle non seulement pour une recherche de signal, mais aussi pour garantir une bonne sensibilit´e du d´etecteur.

Une autre approche consiste `a essayer d’identifier les ´ev´enements par type, et d’ap-pliquer les corrections d’efficacit´e associ´ees, diff´erentes du On au Off. Toutefois,

l’identi-fication du type d’un ´ev´enement n’est pas triviale. `A cette fin, il est possible d’utiliser

l’estimateur de seuil et de majorit´e Ri (voir § 8.4.2 pour la d´efinition). Pour les donn´ees

2002-03, la majorit´e au d´eclenchement ´etait de 4/6, et celle g´en´eralement requise lors de l’analyse est de 5/6 (avec un seuil d’analyse de 10% sup´erieur au seuil fix´e lors de la prise de donn´ees). Un ´ev´enement de type 5 sera donc th´eoriquement caract´eris´e par :

– R5 > 1.1 et R6 < 1 ;

i.e. tel qu’il ne d´eclenche que 5 groupes.

De mˆeme, on qualifiera un ´ev´enement de type 6 selon :

– R6 ≥ 1.1.

Les r´esultats de cette ´etude sont pr´esent´es dans le tableau 10.2, o`u le nombre

d’´ev´enements des diff´erents types a ´et´e d´etermin´e. Aucune coupure d’analyse permet-tant la s´election d’´ev´enements gamma n’ayant ´et´e appliqu´ee, on a principalement affaire `a des hadrons. On peut remarquer dans ce tableau que les seuls ´ev´enements de type 5 font apparaˆıtre un fort exc`es dans le Off, que la correction d’efficacit´e permet d’ant´enuer de mani`ere assez cons´equente. En effet, le temps mort du V486 est beaucoup plus important dans l’´el´ement de la paire le plus bruit´e, `a savoir le On pour M31 (cf. tableau 10.1). Aussi une telle correction r´eint`egre-t-elle plus d’´ev´enements dans le On que dans le Off, et c’est dans ce sens que les r´esultats obtenus sont en accord avec ce que l’on attend. Ce type de correction a donc le bon comportement. L’application d’une efficacit´e moyenne sur le lot statistique n’aurait pas vu une telle compensation, puisque l’inefficacit´e du module V486 affecte davantage les ´ev´enements de faible majorit´e. Compte tenu de la coh´erence des r´esultats obtenus par ce type de correction ´ev´enement par ´ev´enement, nous adopte-rons cette m´ethode pour la suite de notre analyse. Elle nous permettra en particulier de conserver une statistique indispensable `a la recherche d’un ´eventuel signal significatif.