2.3 Le contexte actuel
2.3.4 CODALEMA-I
Ep 1017 eV (0.95±0.04) ×exp −R (236±81) m µV m MHz (2.3) On retrouve ici une dépendance inexpliquée en (1.16−cosα) avec l’angleαau champ magnétique.
Ep est l’énergie du primaire en électronvolts etR la distance à l’axe de la gerbe.
2.3.4 CODALEMA–I
L’expérience CODALEMA (Cosmic rayDetection Array with Logarithmic Electromagnetic
Antennas) a été développée en plusieurs phases expérimentales. Les laboratoires impliqués étaient initialement le laboratoire SUBATECH (Nantes) et l’Observatoire de Paris-Meudon (avec la Station de Radioastronomie de Nançay) rejoints ensuite par le LAL (Orsay), le LPSC (Gre-noble), l’ESEO (Angers), le LAOB (Besançon) et le LPCE (Orléans). Le travail présenté dans cette thèse s’inscrivant dans la seconde phase de l’expérience, nous présenterons cette dernière en détail au chapitre suivant. Nous nous concentrerons ici simplement sur la première phase expérimentale de CODALEMA, notée CODALEMA–I, entre 2003 et 2005, sur les différences avec l’expériences LOPES et les premiers résultats.
Présentation
Localisation Le détecteur CODALEMA est installé à la Station de Radioastronomie de
Nan-çay [97], située au sud de la Sologne, dans un environnement électromagnétique particulièrement calme. Un spectre de bruit de fond radio est représenté en figure 2.7. Deux bandes sont assez bruyantes : les émetteurs radio en modulation d’amplitude (AM) en dessous de 2 MHz suivis de différents émetteurs ondes courtes jusqu’à 24 MHz et les émetteurs radio en modulation d’am-plitude (FM) dans la bande 88–108 MHz. Entre les deux, la bande 24–88 MHz est relativement exempte de bruit et on distingue le fond galactique, vers -127 dBm/Hz ici.
Dispositif expérimental Le dispositif expérimental était initialement constitué de onze an-tennes log-périodiques issues du réseau décamétrique de Nançay (figure 2.8) et de quatre dé-tecteurs de particules du LAL issus de R&D pour l’Observatoire Pierre Auger disposés comme représenté en figure 2.9. Ce détecteur au sol simple servait de trigger et donnait la direction et
2.3 Le contexte actuel 43
Fig. 2.8: Antennes log-périodiques du réseau décamétrique de Nançay, inclinées de 27◦ au sud pour l’observation su Soleil.
Réseau décamétrique
Scintillateur
Antenne log-périodique
Fig. 2.10: Gauche : Candidat de gerbe dont les signaux sont visibles sur toutes les antennes. Droite : Distribution du champ au sol pour un événement de type gerbe.
le temps d’arrivée de la gerbe mais pas d’information sur la position du pied de gerbe ni sur l’énergie.
Analyse et résultats
Les signaux sont d’abord filtrés numériquement dans la bande 37–70 MHz puis la recherche de transitoires est effectuée dans chaque signal individuellement avec un simple seuil (un exemple d’événement est représenté en figure 2.10, gauche). Le plan radio est ensuite reconstruit par triangulation à partir des temps des signaux sur les différentes antennes. L’identification des rayons cosmiques est effectuée par comparaison avec les informations fournies par le réseau de détecteurs de particules.
Des signaux radio ont ainsi été observés en coïncidence avec des rayons cosmiques, le seuil ayant été estimé à partir de la surface du détecteur et du taux de comptage2 aux alentours de 5.1016 eV.
Disposant des caractéristiques du champ électrique aux positions des différentes antennes, il est possible d’étudier la distribution au sol, comme par exemple pour l’événement représenté en figure 2.10, droite. Pour la plupart des événements de type gerbe, la topologie du champ au sol a été correctement ajustée par une fonction de type exponentielle E(d) =E0×exp(−d/d0).
Nous noterons qu’aucun effet de champ géomagnétique n’a été mis en évidence à ce stade, comme on peut le voir sur la figure 2.11.
Ces différents résultats sont présentés dans les deux publications [99, 100] et détaillés dans la thèse d’Arnaud Bellétoile [101].
2On notera cependant que la méthode, déjà utilisée lors des premières détections des rayons cosmiques [98], est pour le moins approximative. L’argument de flux suppose entre autres implicitement que la surface effective de détection du détecteur au sol est indépendante de l’énergie. Si l’on observeX fois moins d’événements en radio qu’avec le détecteur au sol, c’est que le seuil en énergie est√Xfois plus élevé (car flux intégré de rayons cosmiques enE−2).
Cependant la surface effective de détection augmente avec l’énergie (cf. tableau 1.2, p.22), les événements énergé-tiques sont surreprésentés expérimentalement par rapport au flux. Le flux observé est plus dur et l’extrapolation faite à partir des taux de comptage est biaisée (seuil sous-estimé).
2.3 Le contexte actuel 45
Fig. 2.11: Directions d’arrivée des événements observés en coïncidence avec les deux détecteurs de CODALEMA–I.
Bilan de CODALEMA–I
Le dispositif de CODALEMA–I a permis d’observer des signaux radio issus de rayons cos-miques et d’en faire une première analyse qualitative. Cependant, il comportait un certain nombre de limitations, telles que :
– l’orientation des antennes vers le sud ; – la polarisation circulaire des antennes ;
– le nombre restreint et le schéma d’implantation des antennes ; – le nombre réduit de détecteurs de particules ;
– la faible surface couverte par les deux réseaux ;
– la faible dynamique des oscilloscopes utilisés pour l’acquisition, imposant d’enregistrer les signaux filtrés dans une bande restreinte.
Une évolution importante du dispositif expérimental a été entreprise pour permettre une analyse plus complète de l’émission radio des rayons cosmiques. Ce dispositif sera présenté dans le prochain chapitre.
Chapitre 3
Le détecteur hybride
CODALEMA–II
La seconde phase de l’expérience CODALEMA a pour objectif de caractériser plus précisé-ment l’émission radio des gerbes atmosphériques et d’étalonner la technique de détection radio aux alentours de 1016à 1018 eV. Une évolution importante du dispositif expérimental a été effec-tuée à partir de 2005, comprenant un nouveau réseau de dipôles actifs développés spécialement, un nouveau réseau de détecteurs de particules capable de fournir une estimation de l’énergie ainsi qu’une nouvelle électronique d’acquisition. Le déploiement de ce projet a eu lieu entre 2005 et 2008, grâce notamment au support de l’ANR (ANR-NT05-2_42808). L’implantation de ce dispositif est représentée figure 3.1. La description des deux réseaux de détecteurs et l’analyse des données obtenues seront l’objet de ce chapitre.