Incertitudes supplémentaires

1

N

Z=1 rec

+

(

Z^∆ϵ

ϵ

)2

+

(

Z^{∆ cosθ}

cosθ

)2

. (6.3)

Si les erreurs sur la trajectoires et les efficacités sont suffisamment faibles, ce sont les fluctuations

statistiques sur le nombre de photons détectés (le terme en ^√

1

NZ=1

rec

) qui dominent. Dans ce cas,

l’intérêt d’un imageur comme CherCam est d’avoir une résolution indépendante de la charge de la

particule, ce qui permet la mesure des éléments lourds (jusqu’à Z = 30).

6.3.3 Incertitudes supplémentaires

L’intégration de CherCam dans la simulation complète, utilisée conjointement avec le programme

d’analyse, a permis de mettre en évidence un autre phénomène capable de dégrader la résolution.

Par rapport à la simulation de CherCam seule, l’intégration de CherCam dans la simulation complète

a modifié sensiblement la résolution attendue du détecteur. La figure 6.6 montre l’évolution de la

précision de la mesure de la charge de l’oxygène pour la simulation de CherCam seul, la simulation

CREAM sans le calorimètre et la simulation complète. Au fur et à mesure que l’on ajoute des

sous-détecteurs dans la simulation, la résolution sur la charge mesurée dans CherCam se dégrade. La figure

montre aussi la résolution mesurée à partir des données réelles. On constate que la résolution est moins

bonne dans les données réelles que dans la simulation. Ceci nous indique un défaut dans la simulation

mais nous reviendrons sur ce point plus tard.

6.3.3.1 Production de photons tertiaires

Bien que des différences subsistent entre les données simulées et les données réelles tâchons de voir

ce que l’on peut apprendre de la simulation. Tout d’abord on observe que lors de l’ajout des autres

sous-détecteurs, ce n’est pas le calorimètre qui contribue le plus à la dégradation de la résolution. Ceci

permet donc de supposer que ce sont les particules produites au-dessus de CherCam qui contribuent

le plus au bruit de CherCam. Actuellement la simulation ne traite pas les interactions des particules

chargées avec l’électronique des photo-multiplicateurs et la dégradation de la résolution dans la

simu-lation est attribuable à l’existence de photons optiques supplémentaires. Ces photons, que l’on peut

qualifier de tertiaires, sont issus de particules secondaires créées par la particule incidente et qu’il

nous faut identifier.

Les figures 6.7 sont issues d’une simulation où des oxygènes de 1 TeV sont envoyés uniformément

au-dessus de CREAM en incidence normale. La figure supérieure montre l’altitude de production des

particules parents de chaque photon détecté, pondérée par le nombre de photons produits par chaque

parent. Elle est définie par rapport à la surface inférieure du calorimètre. Sur la figure supérieure, le

bin le plus à droite correspond à un parent produit à 1300 mm, il s’agit de l’oxygène incident qui

créé environ un millier de photons, soit 25 % des photons produits. Puisque cette distribution ne

prend en compte que les photons détectés sur le plan de détection de CherCam, elle est représentative

de la quantité de matière de chaque partie du détecteur pondérée par la longueur d’absorption des

particules secondaires. En effet, plus la matière est présente au-dessus de CherCam, plus le nombre

de photons créés sera important. Cependant, la matière absorbe aussi ces photons qui ne sont alors

pas détectés. Sur la figure, on constate un grand nombre de photons issus de particules produites

hMC

Entries 2000 Mean 7.943 RMS 0.7646 CherCam

Z

5 6 7 8 9 10 11

-2

10

-1

10

1

hMC

Entries 2000 Mean 7.943 RMS 0.7646 Z = 0.39 ∆ Data : Z =0.33 ∆ CAL : Z =0.30 ∆ SCD : Z =0.26 ∆ CherCam :

FIGURE6.6 – Résolution de CherCam pour les données de vol (noir), la simulation complète (rouge),

la simulation sans le calorimètre (bleu) et la simulation de CherCam seul (rose). Les simulations

sont effectuées à 1 TeV et les données réelles ne comprennent que les évènements ayant une énergie

E < 1.6 TeV. Au fur et à mesure que des détecteurs sont ajoutés la résolution en charge de

Cher-Cam diminue. L’ajout du SCD et du calorimètre permet d’expliquer une partie des différences de

résolutions obtenus avec les données réelles et la simulation de CherCam.

dans la partie inférieure de CherCam, c’est-à-dire ses photo-multiplicateurs. De même le Cherenkov

Detector, situé juste au-dessus de CherCam contribue aussi significativement malgré un grammage

faible (∼ 0.47 g/cm

²

). Cependant, en l’absence du CD on peut s’attendre à une augmentation du

nombre de photons tertiaires dus au TCD car une partie des secondaires produits dans le TCD sont

absorbés dans le CD. De manière surprenante, dans cette simulation où le détecteur le plus bas est le

SCD, on trouve tout de même quelques photons qui sont issus de secondaires produits dans le SCD.

Ce sont des secondaires qui sont émis vers le haut et qui traversent le verre des photo-multiplicateurs

de CherCam en produisant de la lumière Cherenkov. La figure 6.7 du bas représente la distribution

de l’altitude de production des photons tertiaires (par opposition aux photons secondaires produits

par la particule incidente, ceux-ci sont produits par une particule elle-même secondaire). Un très

grand nombre de photons (∼85%) ne sont pas produits dans l’aérogel mais dans le verre des

multiplicateurs lorsqu’une particule les traverse. Lors du passage d’une particule à travers un

photo-multiplicateur tous les photons émis sont collectés dans ce dernier et le signal est donc plus fort

que celui dans les photo-multiplicateurs avoisinants. Cependant cette information est difficilement

utilisable dans l’analyse car ces photo-multiplicateurs, qui reçoivent un signal très fort, saturent si

bien que leur signal n’est pas proportionnel à celui de la particule incidente.

6.3 Reconstruction de la charge avec CherCam et incertitudes

400 600 800 1000 1200 1 10 2 10 3 10 Number of photons

Parent production altitude (mm)

4 10 5 10 SCD CherCam CD TCD 540 560 580 600 620 640 660 680 700 Number of photons

Parent production altitude (mm) 720 3 10 4 10 PM Aerogel

FIGURE 6.7 – Altitude de production du parent de chaque photon détecté dans CherCam (haut).

Altitude de production des photons tertiaires (bas). L’altitude est définie par rapport à la surface

inférieure du calorimètre.

6.3.3.2 Caractérisation des particules secondaires

Il nous faut maintenant savoir quels sont les secondaires qui produisent ces photons tertiaires. La

distribution des charges des secondaires pondérée par le nombre de photons qui sont produits par

chaque secondaire est représentée à la figure 6.8. Cette distribution nous renseigne sur au moins

deux processus. Tout d’abord on observe des particules de charges élevées qui proviennent de la

fragmentation de la particule incidente. Ceci nous indique qu’il y a effectivement de la fragmentation

dans le détecteur et donc une contamination des basses charges par les hautes charges. Cependant cela

n’explique pas la dégradation de la résolution sur la mesure de la charge de l’oxygène car, dans les

évènements fragmentés, la charge mesurée est inférieure à 8 et elle n’intervient pas dans l’ajustement

de la gaussienne centrée sur 8 (cf. figure 6.6).

Hors le problème de fragmentation, on peut observer la prépondérance de particules de charges -1.

Ces particules sont, à l’exception de quelquesπ

−

, des électrons deknock-onaussi appelésdelta-rays.

Il s’agit d’électrons de la matière éjectés de leur orbitale atomique par le passage d’une particule

chargée incidente. L’énergie cinétiqueT desdelta-raysest distribuée selon la formule [70] :

d

²

N

dT dx ⁼

1

2^KZ

2

z

A

1

β

2

F(T)

T

2

oùZetβsont la charge et la célérité de la particule incidente,zetAla charge et la masse du matériau

etF(T)un facteur proche de 1 pourT ≪T

_max

≈4500 MeV[70].

Les énergies initiales desdelta-raysayant généré des photons sont représentées sur la figure 6.9.

On observe qu’à haute énergie, la distribution correspond bien à une loi en

1

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 20 40

Dans le document Mesure et phénoménologie du rayonnement cosmique avec l'expérience CREAM (Page 120-123)