Position du problème

Le réseau de détecteurs de surface de l’Observatoire Pierre Auger est, comme nous l’avons vu précédemment, conçu pour recueillir le flux de photons Cherenkov produits, dans l’eau des cuves, par les particules ultimes de la gerbe atmosphérique. L’information utile se présente donc sous la forme d’un signal électronique, échantillonné temporellement, fruit de la conversion par les PMTs situés au sommet des cuves, des photons Cherenkov générés par les particules supra-luminiques se propageant dans l’eau.

L’approche développée au cours de cette thèse a consisté en l’étude des traces électron-iques délivrées par les cuves à eau et ce afin d’isoler le signal induit par les muons. La difficulté du travail réside dans la faculté à extraire de façon pertinente, du signal total, l’in-formation relative à la composante muonique. Pour illustrer ce propos, la Figure 5.1 présente le résultat de la simulation de la trace FADC décomposée suivant les principaux

[25 ns] bin t 0 50 100 150 200 250 300 VEM-peak 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 a) [25 ns] bin t 0 50 100 150 200 250 300 VEM-peak 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 b) [25 ns] bin t 0 50 100 150 200 250 300 VEM-peak 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 c) [25 ns] bin t 0 50 100 150 200 250 300 VEM-peak 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 d)

FIGURE5.1 - Trace FADC d’une cuve située à 1150 mètres de l’axe de la gerbe pour une simulation

de proton à 45° et 1019eV. Le signal de chaque composant de la gerbe est présenté : a) signal total, b)

signal muonique, c) signal des photons et d) signal des électrons/positrons.

ants de la gerbe atmosphérique. Nous pouvons néanmoins constater, sur cet exemple, que les composantes muoniques et électromagnétiques (EM) présentent des caractéristiques pro-pres en termes d’amplitude et d’étalement temporel : l’intensité Cherenkov consécutive au passage des muons dans la cuve est, en moyenne, plus élevée que celle résultant des par-ticules EM, photons gamma et électrons/positrons. La structure du signal issu des muons fait apparaitre, d’autre part, des pics isolés ; la signature délivrée par la composante EM est, quant à elle, plus évasée s’apparentant à un "fond" diffus de particules.

Un point important à souligner est que la forme temporelle du signal Cherenkov délivré par une particule est toujours la même, et ce indépendamment de sa nature. En d’autres ter-mes, l’émission lumineuse consécutive au passage d’une particule dans l’eau, ne signe pas la nature de la particule l’ayant engendrée. Les photons Cherenkov produits sont, tout à la fois, absorbés par l’eau, diffusés par le Tyvek puis, finalement, convertis en photo-électrons par les PMTs. Par conséquent, le signal final délivré par les Flash ADC intègre l’ensemble de ces effets. Aussi, un muon de 1 GeV génère, par définition, un signal d’amplitude égale à 1 VEM−peak qui "s’amortit" exponentiellement sur une échelle temporelle voisine de

5.1 Mesure du nombre de muons par la méthode dite des sauts 95 [25 ns] bin t 0 5 10 15 20 25 30 Amplitude [ADC] 0 10 20 30 40 50 60 70 CAPISA τ -t/ exp. fit : f(t) = e = 65 ns τ [25 ns] bin t 0 5 10 15 20 25 30 Amplitude [VEM-peak] -2 10 -1 10 1 CAPISA (τ = 65 ns) = 55 ns) τ SDSim (

FIGURE5.2 - Profil temporel moyen d’un muon vertical. Figure de gauche : Signal, exprimé en

coups ADC, mesuré sur la cuve CAPISA (d’après Réf. [221]). Figure de droite : Signal, exprimé en VEM₋peak où 1 VEM₋peak=70 ADC (cf.FIG.2.3, page 22), extrait de la simulation SDSim [222]. Les différences, en particulier pour la décroissance exponentielle, sont caractéristiques des difficultés rencontrées par les programmes de simulation du détecteur de surface. Les simulations reproduisent tant bien que mal le "muon shape" en appliquant des paramètres de réflectivité du Tyvek ou de longueur d’absorption de l’eau différents de ceux mesurés expériementalement. Le problème est mal-heureusement toujours d’actualité (voir par exemple A. Creusot & D. Veberiˇc [223, 224]).

65 nanosecondes caractéristique de la longueur d’absorption de l’eau (cf.FIG.5.2). Ce profil ou "muon shape" qui dépend des conditions propres à chaque station et qui tient compte, par conséquent, des disparités cuve à cuve (qualité de l’eau, reflectivité variable ...) est la base de la calibration du détecteur de surfacea. Si la décroissance temporelle du signal est donc une propriété intrinsèque à la cuve, l’amplitude du signal dépend, en revanche, de la quan-tité de matière traversée i.e. la longueur parcourue par la(es) particule(s)bdans l’eau. Nous verrons dans les prochains paragraphes comment la méthode dite "des sauts" tire partie de cette propriété afin d’isoler le signal muonique de la gerbe.

Après avoir décrit, en quelques lignes, la démarche qui nous a conduit à considérer une méthode fondamentalement simple, nous développons les points suivants :

i. dans un premier temps, nous introduisons les bases de la méthode des sauts en décrivant les dépendances vis-à-vis de cette variable "saut" pour chaque composante, muonique et électromagnétique, du signal,

ii. le modèle analytique introduit dans la première partie est appliqué aux données Auger, puis nous discutons d’une part des conséquences inhérentes aux ajustements procédés et d’autre part, nous exposons la méthode dédiée au comptage de muons,

iii. après avoir souligné les limites raisonnables de la méthode, nous présentons des amélio-rations notables, basées sur l’étude de simulations Monte-Carlo, apportées à l’estima-tion du nombre de muons cuve par cuve,

iv. les résultats sont finalement présentés, commentés et comparés à des analyses indépen-dantes.

a. on soulignera, par ailleurs, que si le signal issu d’un muon est "parfaitement" connu du point de vue expérimental, la réponse des cuves aux photons gamma de haute énergie est quant à elle inconnue. En revanche, la réponse temporelle d’électrons de quelques MeV a été étudiée par S. Ranchon & M. Urban [220].

b. les photons gamma, en pénétrant dans la cuve, créent une "gerbe" de particules électromagnétiques qui, dans l’hypothèse où leur énergie est supérieure au seuil Cherenkov, contribuent au signal total délivré par la particule primaire.

[25 ns] bin t 0 50 100 150 200 250 300 VEM-peak 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Motif ("muon shape")

[25 ns] bin t 0 50 100 150 200 250 300 (t) ρ 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

FIGURE5.3 - Résultats obtenus par reconnaissance de forme sur le signal électronique

précédem-ment présenté (cf.FIG.5.1). La figure du haut montre la trace FADC sur laquelle est effectuée, en

chaque bin temporel t, le calcul du coefficient de corrélation ρ(t)(figure du bas). Le motif, caractéris-tique de la forme recherchée, est également présenté (courbe rouge) tandis que les temps d’arrivées des muons sont mis en évidence par les flèches rouges ; la position en ordonnée de ces-dernières étant relative au nombre de muons ayant pénétré dans la cuve.