Cette partie présente les mesures faites avec le détecteur CAPISA sur l'influence de la hauteur d'eau sur la réponse de cuves Čerenkov aux muons verticaux (VEM) et aux muons atmosphériques. Une fuite a été faite dans cette cuve pour que le niveau de l'eau baisse d'environ 7.5 cm par jour de 1.2 m à environ 74.5 cm. Les données ont été accumulées pendant toute la période de vidage. Les 3 PM au départ de l’expérience ne sont pas parfaitement étalonnés ce qui entraîne un écart moyen entre les charges des 3 PM d’environ 2 %. Les 2 graphes de la Figure B-51 présentent la comparaison de la charge d'un VEM entre les mesures et les simulations en fonction de la hauteur d'eau.
Figure B-50 : Graphes de gauche : évolution de la charge d'un VEM mesurée sur le détecteur CAPISA en fonction de la hauteur d’eau perdue. Graphes de droite : prédictions de la simulation.
La charge des 3 PM décroît d'environ 8.3 ADC/ 10 cm avec la hauteur d'eau (environ 5 % pour 10 cm). L'écart entre les PM semble s'agrandir de 2 % au départ jusqu'à environ 8 % pour un niveau d'eau d'environ 75 cm. Par contre, le rapport entre la charge de la moyenne des 3 PM et la moyenne des 3 charges des PM individuels reste constant. Cette décroissance de la charge avec la hauteur d’eau peut s’expliquer par le fait que le nombre de photons Čerenkov produit par le passage du muon dans la cuve est directement proportionnel à sa longueur parcourue dans l’eau. On s’attend donc à ce que la charge (quantité de signal) diminue quasi linéairement avec le niveau d’eau. La simulation reproduit assez bien la dépendance avec la hauteur d'eau, la pente obtenue par simulation est d'environ -7.8 ADC/10 cm (moins de 8 % d’écart avec les données). Ce qui indique que l’effet Čerenkov et la propagation des photons dans l’eau sont bien implémentés.
Simulation Mesures
Les 2 graphes de la Figure B-51 présentent la comparaison sur l’amplitude d'un VEM entre les mesures et les simulations en fonction de la hauteur d'eau.
Figure B-51 : Graphes de gauche : évolution de l'amplitude d'un VEM mesurée sur le détecteur CAPISA en fonction de la hauteur d’eau perdue. Graphes de droite : prédictions de la simulation.
De la même manière, l'amplitude décroît avec la hauteur d'eau avec une pente moyenne d'environ 1.4 ADC/10 cm (~3 %/10 cm). Cette pente est plus faible que celle mesurée en charge. Ceci peut se comprendre car l’amplitude est plus sensible à la lumière directe ou semi-directe qui dépend fortement de la position d’entrée et moins de la hauteur d’eau. Cette
décroissance est aussi très bien reproduite en simulation (pente simulée d’environ -1.5 ADC/10 cm. Comme pour la charge, les écarts entre l'amplitude de chaque PM
s'agrandissent. Le fait que la charge et l’amplitude décroissent avec des pentes différentes entraîne que le rapport entre la charge et l’amplitude diminue aussi avec la hauteur d’eau (Figure B-51). La pente du rapport entre la charge et l'amplitude d'un VEM avec la hauteur d’eau est d'environ -0.09 /10 cm avec la hauteur d'eau. La simulation donne une pente moyenne plus faible d’environ -0.06 /10 cm.
Figure B-52 : Graphes de gauche : rapport entre la charge et l'amplitude du VEM en fonction de la hauteur d'eau perdue. Graphes de droite : prédictions de la simulation.
Mesures Simulation
Simulation Mesures
Les 2 graphes de la Figure B-53 présentent les comparaisons entre les mesures et les simulations du temps de décroissance du signal moyen en fonction de la hauteur d'eau.
Figure B-53 : Graphes de gauche : Temps de décroissance d’un signal moyen de VEM en fonction de la hauteur d'eau perdue. Graphes de droite : prédictions de la simulation.
Le temps de décroissance décroît d'environ 3.0 ns/10 cm avec la hauteur d'eau. Cette dépendance avec la hauteur d'eau est bien reproduite dans la simulation : la pente simulée est de -2.8 ns/10 cm. Cette baisse peut naturellement s’expliquer par la diminution du volume (quand le volume diminue, le nombre de réflexions des photons augmente et donc le nombre de photons absorbés dans le Tyvek augmente aussi).
Les 4 graphes de la Figure B-54 montrent les comparaisons en charge et en amplitude pour les muons multidirectionnels entre les mesures sur le détecteur CAPISA et la simulation avec EasySim en fonction de la hauteur d'eau.
Figure B-54 : Graphes de gauche : évolution de la charge (en haut) et de l'amplitude (en bas) des muons multidirectionnels en fonction de la hauteur d'eau perdue. Graphes de droite : prédictions de la simulation. Simulation Mesures Simulation Simulation Mesures Mesures
La charge et l'amplitude du pic de muons multidirectionnels décroissent avec la hauteur d'eau avec des pentes moyennes en charge d'environ -11.5 ADC/10 cm pour les 3 PM
individuels et d'environ -8.4 ADC/10 cm pour la moyenne 3 PM et en amplitude -2.5 ADC/10 cm pour les 3 PM individuels. Les pentes simulées sont toujours plus faibles que
celles mesurées : -9.4 ADC/10 cm pour la charge d’un PM individuel, -5.7 ADC/10 cm pour la charge de la moyenne de 3 PM et -2.4 ADC/ 10 cm pour l’amplitude des PM individuels. Les dépendances pour les 3 PM individuels de la charge et de l'amplitude des muons multidirectionnels avec la hauteur d'eau sont plus importantes que celles pour le VEM. Cette différence implique que les rapports en charge et en amplitude entre les muons atmosphériques et le VEM vont aussi décroître avec la hauteur d'eau (Figure B-55). Par contre, la décroissance de la charge de la moyenne des 3 PM est moins rapide avec les muons multidirectionnels qu’avec le VEM. Ceci implique que le rapport en charge entre ces deux quantités va croître quand le niveau d’eau baisse. La simulation reproduit bien les dépendances de ces rapports en charge et en amplitude avec la hauteur d’eau.
Figure B-55 : Graphes de gauche : évolution du rapport de la charge des muons multidirectionnels sur celle du VEM (en haut) et du rapport de l'amplitude des muons multidirectionnels sur celle du VEM (en bas) en fonction de la hauteur d’eau perdue. Graphes de droite : évolution des deux rapports obtenus en simulation.
En résumé, la réponse des détecteurs du réseau de surface aux muons dépend de la hauteur d'eau dans les cuves. La simulation reproduit relativement bien la dépendance de tous les paramètres avec la hauteur d’eau. L'analyse des paramètres de cette réponse (charge, amplitude, rapport charge sur amplitude ou temps de décroissance des signaux de muons) peut être un indicateur du niveau d'eau. Les mesures faites avec le détecteur CAPISA confirment les études précédentes faites avec la cuve LAURA [b-77]. Ces paramètres ne sont pas utilisables pour l’instant car ils dépendent de nombreux facteurs comme par exemple la température. Une autre méthode a été proposée et testée pour surveiller la hauteur d'eau des cuves utilisant comme paramètre discriminant le rapport entre la charge des électrons issus de la décroissance des muons par rapport celle des muons [b-61]. La charge des muons, comme on l’a vu, décroît avec la hauteur d’eau. En revanche, la charge déposée par les électrons ne
Mesures
Mesures
Simulation
constante. Il a été montré que le rapport entre la charge déposée par les muons et les électrons diminue avec le niveau d’eau et peut être utilisé pour le contrôle.