Phénomène observé par le VLCT et images résultantes

et leur topologie respecte un maillage hexagonal. Le L2 doit traiter l’information en respectant l’ordre d’arrivée de chaque évènement car ce dernier n’émet qu’un signal en sortie et non une image marquée. On peut distinguer trois phases dans le traitement d’une image par le L2 :

– La réorganisation de l’image selon le format d’une matrice. Chaque image incidente est décrite sous forme de vecteur et, pour chacun de ces vecteurs, les pixels de l’image sont ordonnés selon les secteurs de la caméra.

– Le nettoyage des images. Les images sont soumises à la suppression des pixels isolés qui ne seront pas exploitables et pourront être assimilés à du bruit de fond.

– La décision sur la nature de l’évènement. Cette étape va consister à déterminer si l’évène-ment est informatif et donc doit être conservé pour analyse hors-ligne. Les évènel’évène-ments qui peuvent être capturés par le VLCT sont entre autres les signatures de gammas, de muons et de protons. Idéalement, on souhaiterait ne conserver que des évènements gamma après le L2. Mes travaux de thèse sont intervenus dans cette phase du trigger de niveau 2. En sortie, un signal L2Accept/Reject codé sur 1 bit est émis, sa forme est décrite à la figure 3.2. Un L2Accept est émis lorsqu’on présume que l’évènement correspond à une particule gamma, autrement un L2Reject est généré. Le L2Accept/Reject est transmis à la FIFO (cf. figure 3.1) afin d’effacer l’image correspondante ou la transmettre au trigger central.

Figure 3.2 – Le signal L2Accept/Reject en sortie du trigger de niveau 2.

3.2 Phénomène observé par le VLCT et images résultantes

Afin de concevoir un système de reconnaissance des formes pour le trigger de niveau 2 de HESS-II, il est important de considérer les observations attendues par les astrophysiciens. Le phé-nomène physique qui permet la détection de ces particules entrant dans l’atmosphère provient de l’effet Chérenkov. Après avoir décrit les détails de cet effet, les différents phénomènes que l’on peut observer avec le VLCT seront décrits. Ceux-ci sont d’origines variées et certains d’entre eux pour-ront être considérés comme non informatifs dans le cadre de l’application. Le but de cette section est de montrer les difficultés que nous pouvons rencontrer pour discerner, même avec un œil expert les différents types de particules auxquelles nous avons été confrontés.

3.2.1 Problématique de la détection de particules

La nature des images dépend du type de particules. En effet, la signature laissée sur la caméra du télescope est théoriquement caractéristique du type de la particule observée. Quand les particules entrent dans l’atmosphère, elles créent, par effet Chérenkov, une gerbe lumineuse, celle-ci est plus ou moins évasive selon les cas.

3.2.1.1 Description du phénomène : L’effet Chérenkov

L’effet Chérenkov, connu depuis 1937, est l’équivalent pour la lumière du mur au son qui accompagne l’avion supersonique : lorsqu’une particule chargée voyage dans un milieu diélectrique à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans ce milieu (mais inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide), elle crée une onde de choc électromagnétique qui se matérialise sous la forme d’un cône de lumière émis vers l’avant. Ce phénomène a la propriété de se différencier selon

le type de particule incidente. La décomposition de la gerbe est plus ou moins expansive selon les cas. L’allure de la gerbe lumineuse dépend bien entendu d’autres facteurs comme l’énergie de la particule incidente, l’angle d’incidence, etc.

3.2 Phénomène observé par le VLCT et images résultantes

3.2.1.2 Développement longitudinal des gerbes lumineuses

Figure3.3 – Expansion d’une gerbe

On constate sur la figure 3.3 les différences physiques existantes pour le développement lon-gitudinal des gerbes entre les deux types de gerbes que l’on peut observer pour des énergies de 100 GeV pour la gerbe gamma et 300 GeV pour la gerbe hadronique. Les gerbes électromagnétiques sont, d’une façon générale, plus groupées sur le centre de la source. A l’inverse les gerbes hadroniques sont très dispersives ce qui est bien illustré par le modèle de développement de la gerbe hadronique présentée ci-dessus.

Gerbe électromagnétique La figure 3.4 représente la décomposition des gerbes résultant de l’entrée d’un gamma dans l’atmosphère. On constate que son développement se fait très réguliè-rement. Par conséquent elle s’étale de façon homogène. L’énergie qu’elle développe est divisée par deux à chaque niveau de déploiement de la gerbe, ce qui fait qu’elle s’atténue naturellement et d’une façon assez prévisible.

Figure 3.4 – Expansion d’une gerbe gamma

Gerbe hadronique Les gerbes hadroniques sont plus expansives du fait que leur division n’est pas homogène (cf. figure 3.5). Elles génèrent, à leurs entrées dans l’atmosphère, différents types de particules comme des muons, des pions, entres autres, qui transitent dans l’atmosphère jusqu’à ce que l’énergie soit complètement dissipée. Par conséquent, il résulte de ce phénomène un développement longitudinal très hétérogène et dispersif. Une difficulté s’ajoute : des gammas secondaires résultent de l’entrée dans l’atmosphère des protons. Ceci génère donc des gerbes électromagnétiques secondaires qui ne correspondent absolument pas aux phénomènes recherchés.

Figure 3.5 – Expansion d’une gerbe proton

3.2.2 Les images

Cette différence entre gerbes électromagnétiques et hadroniques discutée précédemment n’est pas aussi visible sur les images. Ceci s’explique par la distance entre l’impact de la gerbe lumineuse et le centre du télescope, l’angle d’incidence de la particule dans l’atmosphère et de l’angle d’observation

3.2 Phénomène observé par le VLCT et images résultantes

des télescopes. Bien entendu, il persiste des images où cette différence reste très nettement visible malgré tout.

3.2.2.1 Images en entrée du L2

Les observations résultent de l’énergie des particules mais ne la représentent pas stricto sensu : il s’agit en fait de l’intensité du signal incident résultant de l’énergie de la particule observée modulée par la distance du rayon incident par rapport au centre du télescope.

Les images capturées par les télescopes sont analogiques et les couleurs correspondent à l’éner-gie relevée sur les photomultiplicateurs. Malheureusement à notre niveau de traitement, nous ne disposons que d’images seuillées résultant de la sortie du PreL2 situé en amont du trigger de niveau 2. Le double seuillage exécuté sur les images peut être résumé comme suit : pour deux seuils définis T₁ et T2 tels que T1< T₂,

– si un pixel de l’image a une énergie supérieure à T2, il est conservé et marqué du niveau d’énergie supérieur,

– si un pixel de l’image a une énergie inférieure à T1, il est assimilé au fond de l’image, – si un pixel de l’image a une énergie comprise entre T1 et T2, il est conservé et marqué du

niveau d’énergie inférieur.

Les évènements, imprimés sur la caméra, correspondent à l’allure des gerbes du point de vue du télescope.

3.2.2.2 Les particules

Au cours de mes travaux, trois différents types de particules ont été considérés. Ceux-ci peuvent être observés sur la figure 3.6 : les gammas ((1) à (12)), les muons ((13) à (20)) et les protons ((21) à (28)).

Ces images nous ont été fournies par l’IRFU et sont le résultat de simulations de Monte Carlo (Heck et al., 1998) en reconstruisant l’effet Chérenkov. Les particules laissent des traces sur les télescopes qui leur sont propres et bien que ces caractéristiques sont vérifiables dans des conditions idéales, il faut aussi tenir compte de la distorsion due au système de capture (forme et précision des photomultiplicateurs...). De plus, il est difficile d’avoir des critères objectifs et quantitatifs de discrimination sur ce type d’évènements.

Caractéristiques des signatures de gammas De forme globalement ovale du fait de la symétrie du développement de la gerbe issue d’un gamma, il pointe normalement toujours vers le centre de la source. Cette information peut paraître très intéressante car fortement discriminante mais il est préférable de l’utiliser d’une façon strictement optionnelle car si un gamma est issu d’une source inconnue à ce jour, donc non volontairement pointée, on va le rejeter alors que l’information qu’il contient peut se révéler très importante. Par conséquent, l’information du pointé de la source n’est pas prise en compte dans notre travail.

Caractéristiques des signatures de muons Ils ont une forme caractéristique d’un arc de cercle, voire d’un cercle quasi-parfait dans les cas les plus typiques (lorsque le télescope pointe sur le centre du muon observé). Mais lorsque les muons tombent à une distance importante du télescope, ils sont difficiles à discerner des gammas du fait du mode d’acquisition. Enfin, sans la stéréoscopie, il est aussi plus difficile de les discerner lorsque les arcs sont trop grands. Un impact de muon peut être distant du centre du télescope et être triggé malgré tout par la caméra du fait de ses propriétés énergétiques.

Caractéristiques des signatures de protons Le développement des gerbes issues de protons étant expansif et dissymétrique, il est difficile de déterminer une forme spécifique les caractérisant. On a souvent observé que les traces laissées par les gerbes sur les télescopes sont souvent difformes et sans symétrie particulière.

(1) (5) (9) (13) (17) (21) (25)

Figure 3.6 – Exemples d’images qui pourront être collectées par le futur télescope HESS-II