Contrôle des taux de comptage

Les taux de comptage individuels de chaque détecteur reètent l'intégralité des par- ticules qui traversent le détecteur. La quantité de particules détectée varie en fonction de diérents paramètres, e.g., position dans la galerie (épaisseur de roche), ecacité du détecteur, quantité de radon, etc. Les variations du ux de muons liées à l'épaisseur de matière à l'aplomb du détecteur seront étudiées plus particulièrement dans le chapitre 6. De la même façon, les eets de la radioactivité et plus particulièrement du radon ont été détaillés dans la partie 5.5.2. Il est ici proposé de se concentrer sur les autres causes d'in- stabilités dans les taux de comptages individuels. Pour cette raison, les taux de comptage individuels de chacun des détecteurs sont normalisés sur toute la durée de l'expérience. Ces taux normalisés sont présentés sur la Figure 5.17 depuis leur installation dans les galeries du LSBB le 22 décembre 2013 jusqu'au 25 mars 2015.

132 F. Hivert

Figure 5.17  Évolution des taux de comptage individuels normalisés des détecteurs DU0, DU1, DU2 et DU3 entre décembre 2013 et mars 2015.

Sur cette gure, une première période de forte instabilités peut être identiée entre décembre 2013 et février 2014. Cette zone correspond à la période où les détecteurs étaient localisés au point X−1, dans la galerie GAS, et durant laquelle plusieurs pannes ont eu lieu

(voir partie 5.4.3). Des composants électroniques avaient alors été remplacés et notamment la base, le potentiomètre et le PM de DU3 en janvier 2013. Le nouveau PM installé sur ce

détecteur a augmenté son ecacité, c'est pourquoi le taux de comptage de ce détecteur est plus élevé à partir du mois de février. Sur cette première période, les taux varient de façon importante mais identique sur les quatre scintillateurs. Ces variations observées simultanément sur tous les détecteurs témoignent de la radioactivité dans cette galerie qui n'est pas ventilée. Les taux de comptage étaient alors, en moyenne, les plus élevés mesurés dans cette région autour du point X0. En eet, du 22 décembre 2013 au 18 février 2014,

le dispositif était localisé au point X−1, dans la Galerie Anti-Soue (GAS) où l'épaisseur

de roche à l'aplomb diminue par rapport à la galerie principal. Les taux de comptage plus élevés à GAS que dans la galerie principale peuvent donc être associés à un taux de radon probablement plus important dans cette galerie secondaire non-ventilée. La panne de DU1

marque la n de cette période d'instabilités majeures avec le déplacement du système le 18 février au point X0. La réparation de DU1 (24 février) a pour eet de rapprocher son

taux de comptage de ceux des autres détecteurs.

Entre les mois de février et juillet 2014, les taux de comptages demeurent très stables avec quelques pics en mars et avril associés à la présence de radon (voir partie 5.5.2). À partir du mois de juillet, les détecteurs sont régulièrement déplacés pendant quelques jours aux points X1, X2 et X3 an d'étudier la sensibilité de la mesure du ux de muons à

de faibles variations de l'épaisseur de roche. Ces déplacements génèrent des variations des taux de particules détectées sur tous les détecteurs. Les variations ne sont pas seulement associées aux ux de muons puisque lorsque les scintillateurs sont positionnés au point

Caractérisation du dispositif expérimental 133 X3 les taux de comptages sont plus importants alors que l'épaisseur de matière l'est

également. Ces mesures témoignent probablement d'une radioactivité plus importante à cet endroit de la galerie. De nouveaux pics provoqués par la radioactivité sont observés autour du 15 Aoùt 2014 et au début du mois d'octobre 2014.

Entre juillet et novembre 2014, c'est à dire au cours de la période des déplacements fré- quents du dispositif, des variations brutales des taux de comptages n'aectant qu'un seul détecteur ont été observées. Elles aectent préférentiellement DU1 et DU2. Ces sauts

ne résultent pas de la localisation du dispositif ou de la radioactivité puisqu'ils n'inter- viennent pas sur l'ensemble des scintillateurs. Ils se produisent aléatoirement au milieu d'une acquisition ou lors d'un déplacement et génèrent aussi bien des augmentations que des diminutions des taux individuels. Il est alors important de dénir si ces modications aectent les mesures des ux de muons. Pour cela, les augmentations brutales observées sur le détecteur DU2 les 4 août et 26 septembre 2014 ont fait l'objet d'une étude ap-

profondie. Les ux de muons moyens avant et après ces deux sauts sont comparés sur chacune des combinaisons de détecteurs an de déterminer s'ils sont impactés on non par les augmentations du taux individuel de DU2. Les résultats de cette analyse sont présentés

dans la table 5.3 pour l'évènement du 4 août et la table 5.4 pour celui du 26 septembre.

Table 5.3  Flux de muons moyens par heure avant et après l'augmentation brutale du taux de comptage individuel de DU2du 4 août 2014. Les ux sont moyennés sur les quelques jours précédents et suivants l'augmentation brutale et sont présentés en nombre de muons par heure. Les muons étant reconstruits à partir de coïncidences triples au minimum, toutes les combinaisons de détecteurs possibles sont ici représentées. Le détecteur DU2 n'intervenant pas dans la dernière combinaison (DU0+DU1+DU3), celle-ci est utilisée comme témoin.

Flux moyen de muons par h Flux moyen de muons par h Pré-saut Post-saut

DU0+DU1+DU2 1528,7 1530,8

DU0+DU2+DU3 971,88 964,24

DU1+DU2+DU3 2288,5 2280,2

DU0+DU1+DU2+DU3 903,63 893,65

DU0+DU1+DU3 932,98 923,14

Les ux de muons ont globalement très peu variés avant et après les deux pics observés dans les taux de comptage individuels. Les variations sont plus faibles que l'erreur sur chacune des mesures. Les sauts observés sur un seul détecteur n'ont donc pas d'inuence sur le ux de muons reconstruits. Ces perturbations brutales ont cessé avec l'arrêt des déplacements.

Les mesures réalisées aux points X200m et X500m sont presque au niveau des taux

de comptage individuels des détecteurs. Les fréquences des enregistrements étant dépen- dantes du nombre de coïncidences, la quantité de données (densité de points) sur la période du 24 octobre au 24 novembre (positionnement à X200m et X500m) est réduite.

Du 19 décembre au 26 février, l'installation d'une seconde carte d'acquisition avec un dispositif de duplication du signal DU0est à l'origine d'une réduction du taux de comptage

134 F. Hivert

Table 5.4  Flux de muons moyens par heure avant et après l'augmentation brutale du taux de comptage individuel de DU2 du 26 septembre 2014. Les ux sont moyennés sur les quelques jours précédents et suivants l'augmentation brutale et sont présentés en nombre de muons par heure. Les muons étant reconstruits à partir de coïncidences triples au minimum, toutes les combinaisons de détecteurs possibles sont ici représentées. Le détecteur DU2 n'intervenant pas dans la dernière combinaison (DU0+DU1+DU3), celle-ci est utilisée comme témoin.

Flux moyen de muons par h Flux moyen de muons par h Pré-saut Post-saut

DU0+DU1+DU2 1540,5 1545,5

DU0+DU2+DU3 976,45 975,81

DU1+DU2+DU3 2320,9 2315,2

DU0+DU1+DU2+DU3 907,33 906,31

DU0+DU1+DU3 935,89 936,24

Toutes les analyses et suivis réalisés permettent d'armer que durant l'intégralité de la durée d'acquisition, de novembre 2013 à mars 2015, les détecteurs ont conservés une grande stabilité. De ce fait, les données recueillies peuvent être comparées et les évolutions temporelles peuvent être attribuées à des variations du ux de muons.

5.7 Conclusion

Ce chapitre décrit les scintillateurs liquides exploités au LSBB entre novembre 2013 et mars 2015. Ce sont des détecteurs bien connus et bien maîtrisés, utilisés depuis plusieurs années, notamment en physique et pour la muographie.

Le dispositif installé au LSBB est constitué de quatre scintillateurs liquides alignés ver- ticalement. Seules les particules ayant traversé au moins trois des détecteurs sont considé- rées comme des muons. Ces coïncidences triples ont été dénies an de considérablement réduire les coïncidences fortuites responsables de bruit dans les données. Le seuil de détec- tion des photomultiplicateurs, qui a été adapté aux mesures en environnement souterrain, est relativement bas, 15 mV, ce qui permet de maximiser la détection des muons.

L'environnement souterrain, bien que privilégié, impose plusieurs contraintes et né- cessite donc des adaptations pour mener les campagnes de mesures. Dans ce contexte, il est important d'étudier les eets de paramètres tels que l'humidité, la température ou la radioactivité sur le ux de muons détectés et de conditionner les systèmes d'acquisition et détecteurs pour cet environnement. L'humidité a, au début des expérimentations, généré des pannes de certains composants électroniques des scintillateurs. Cette problématique a nécessité un déplacement du dispositif de détection dans la galerie principale du LSBB qui bénécie d'un système de ventilation. La température, qui varie très peu (quelques degrés) dans les galeries, n'a, elle, aucun eet sur les taux de coïncidences et donc sur les muons. Le troisième paramètre, la radioactivité liée au radon, est identié au niveau des taux de comptage individuels de chaque détecteur mais jamais au niveau des coïncidences. Le principe des coïncidences triples élimine donc parfaitement les eets du radon. Le système de ventilation, présent dans la galerie principale du LSBB, permet également d'évacuer très rapidement la radioactivité. Les mesures réalisées au LSBB sont donc indépendantes

Caractérisation du dispositif expérimental 135 des variations de ces paramètres.

L'un des objectif étant de mener une étude temporelle de l'évolution de la densité, il est important de suivre temporellement la qualité des mesures et des détecteurs. Pour cela, l'évolution de la qualité du signal et de sa durée sont étudiées sur l'ensemble de la période de mesure, de décembre 2013 à mars 2015. Les détecteurs sont ensuite comparés les uns aux autres et leurs taux de comptages individuels sont suivis au cours du temps. Une grande stabilité des détecteurs a été mise en évidence. Les éventuelles uctuations dans les données recueillies ne pourront donc être attribuées qu'à des variations du ux de muons. L'évolution des coïncidences est analysée dans le chapitre 6. Celles-ci sont analysées de façon indépendante pour chacune des combinaisons de détecteurs, c'est pourquoi le terme de ux de muons est employé dans le chapitre suivant.

La campagne de mesure menée avec les scintillateurs liquides est une première étape du projet T2DM2. Le développement des Micromegas devrait prochainement permettre d'acquérir davantage de données.

Chapitre 6

Variations du ux de muons et

interprétations géologiques

Sommaire

6.1 Introduction . . . 137 6.2 La zone d'étude . . . 137 6.2.1 Le LSBB, un site expérimental privilégié . . . 137 6.2.2 Contexte géologique . . . 138 6.2.3 Les problématiques hydrogéologiques . . . 141 6.3 Étude de faisabilité et comparaison avec les modèles numé-

riques . . . 144 6.3.1 Protocole de mesures . . . 144 6.3.2 Sensibilité à de faibles variations de profondeur . . . 145 6.3.3 Les mesures à plus grandes profondeurs . . . 148 6.4 Estimation de la densité . . . 148 6.4.1 La surface eective des détecteurs . . . 148 6.4.2 Étude comparative . . . 150 6.4.3 Discussion . . . 151 6.5 Évolution temporelle . . . 153 6.5.1 Calcul des ux intégrés . . . 153 6.5.2 Fluctuations du ux de muons en surface . . . 154 6.5.3 Variations temporelles et interprétations géologiques . . . 163 6.6 Conclusion . . . 166

Variations du ux de muons et interprétations géologiques

Résumé

Le chapitre 6 est orienté vers l'analyse et l'interprétation des données acquises au LSBB entre novembre 2013 et mars 2015. La sensibilité de la muographie à de faibles variations de l'épaisseur de roche traversée est démontrée. L'un des point, X1, loca- lisé à ≈ 61 m de profondeur dans la galerie principale du LSBB, présente un ux de muons anormalement élevé par rapport aux points voisins. Ces observations pour- raient être la conséquence d'une fracturation plus importante ou de la présence d'une ou plusieurs cavité(s) dans cette zone. La comparaison des données expérimentales avec les simulations numériques mènent à la détermination d'une densité moyenne du massif de 1.9±0.1 g.cm−3_{. Cette dernière est cohérente avec les mesures gravimé-} triques réalisées au LSBB il y a quelques années (Deville, 2013). Le suivi temporel du ux de muons sur deux périodes d'environ 6 et 4 mois a permis la mise en évidence d'une corrélation entre les ux enregistrés en profondeur et la pression atmosphé- rique. Les coecients barométriques déterminés au LSBB sont en accord avec ceux des autres expériences souterraines. Les ux de muons corrigés de cet eet baro- métriques sont comparés aux précipitations sur la zone d'étude. Aucune corrélation entre ces deux paramètres n'a pu être identiée au point X0, c'est pourquoi il est proposé, pour les futures investigations de se focaliser sur l'étude du point X1.

Interprétations géologiques 139

6.1 Introduction

Le LSBB ore un accès privilégié à diérentes profondeurs de la zone non saturée de l'aquifère karstique de Fontaine-de-Vaucluse. La caractérisation de cet aquifère, l'un des plus vaste d'Europe, fait l'objet d'études depuis plusieurs années. Le stockage et la transmission de l'eau au sein de cette zone évoluent d'un point de vue spatiale et temporelle. Dans ce contexte, la muographie ore la possibilité d'identier les variations spatiales de la densité an de localiser des discontinuités telles que la fracturation ou les cavités. L'analyse temporelle du ux de muon permettrait, quant à elle, de suivre les transferts des masses d'eau dans le massif. C'est pourquoi, la muographie est appliquée au LSBB an d'améliorer la compréhension de la dynamique de la zone non saturée.

Les données acquises au LSBB à partir des scintillateurs liquides sont analysées dans ce chapitre. Les acquisitions sont orientées autour de trois objectifs. Le premier, la dé- monstration expérimentale de la faisabilité de la muographie pour identier des variations de densité. Le second, l'estimation de la densité moyenne du massif de la Grande Mon- tagne situé au-dessus du laboratoire. Celle-ci est basée sur la comparaison des mesures avec les simulations numériques menées en amont. Enn, l'évolution temporelle du ux de muons est comparée aux précipitations sur la zone d'étude.

Les premières mesures réalisées au cours de cette thèse ont également pour but de déterminer les paramètres à ne pas négliger et d'identier d'éventuels points d'intérêts pour les futures mesures au LSBB.