Projet a plus long terme : 1km 3

Apres une premiere phase terminee de R&D (qui comprenait l'evaluation des sites et l'etude du deploiement, de la connexion et du positionnement de la ligne prototype), puis une deuxieme phase en cours, qui correspond a la mise au point d'un telescope de premiere generation (1000 photomultiplicateurs, pour une surface au sol d'environ 0:1km2), l'ambition de la collaboration ANTARES a plus long terme est de construire et exploiter un telescope de deuxieme generation (10000 photomultiplicateurs, dans un volume de l'ordre de 1km3). En eet, la detection de nombreuses sources ponctuelles requiert une surface ou un volume eectif a l'echelle kilometrique. Une campagne d'exploration de sites possibles en Mediterranee est prevue pour en selectionner le meilleur.

Outils de simulation et de

reconstruction

Au niveau de developpement ou se trouve le projet ANTARES, la

necessite de construire

des simulations informatiques

aussi detaillees que possible se fait sentir. En eet, une inter-action d'un neutrino ne peut se transformer en un ensemble de signaux electroniques analysables que par une succession d'etapes complexes et aleatoires (l'interaction proprement dite, la prop-agation de plusieurs traces chargees, l'emission et la propprop-agation du rayonnement Cerenkov, la detection des photons et leur transformation en impulsions electroniques dans les modules optiques). Ceci rend impossibles une evaluation et une optimisation analytiques d'un certain detecteur (c.-a-d.un choix de site, une instrumentationet un logiciel de traitement des donnees).

L'

objectif des simulations

est de :



developper les algorithmes de selection/reconstruction

. Dans ce chapitre, nous presenterons un algorithme de reconstruction mis en place pour les evenements a une cascade (topologie 2.3.2).



caracteriser les performances

de l'ensemble (site+instrumentation+logiciel). Au chapitre 5, nous caracteriserons les performances du detecteur (qui a ete presente au para-graphe 3.5.3) en ce qui concerne les evenements a une cascade.



caracteriser l'in uence de dierents parametres libres et optimiser le

detecteur

: bien que l'eort d'optimisationsoit principalement orientevers la detection de neutrinos muoniques non contenus (puisque c'est la vocation premiere de cet instrument), certains choix pourraient ^etre determines en fonction des performances pour la detection de cascades contenues. Les parametres libres a etudier concernent le site (par ex. la diusion de la lumiere dans l'eau) ou bien l'instrumentation (par ex. la geometrie, les photomulti-plicateurs). Au chapitre 5, nous etudierons l'eet de quelques parametres instrumentaux sur les capacites de detection d'evenements a une cascade.

Le paragraphe 4.1 constitue une simple presentation generale des outils de simulation et de reconstruction developpes pour ANTARES dans le cadre de dierents themes de physique. Les paragraphes suivants sont une presentation plus particuliere des outils developpes pour les evenements contenus a une cascade.

86 Outils de simulation et de reconstruction rayonnement Cerenkov Simulation des photomultiplicateurs et de l’électronique Reconstruction et sélection des événements

Paramètres des photomultiplicateurs et de l’électronique Paramètres de l’eau Simulation du bruit optique distordu Détecteur de la distortion Simulation aligné Simulation du Détecteur Génération Détecteur non distordu Simulation du contrôle lent lent Données du contrôle

Données réelles ou simulées Simulations Vérité Monte-Carlo Impulsions lumineuses Analyse Déclenchement du système Données brutes Alignement

: Tests (portes logiques) : Librairies

: Simulation ou traitement de données : Données simulées ou réelles

Figure 4.1: Schema general des outils de simulation.

4.1 Schema general

L'architecture des outils de simulation representee sur la gure 4.1 est caracterisee par les aspects suivants :



structure modulaire

: la ligne principale suit les etapes logiques, de l'interaction du neutrino (ou evenement de bruit de fond) aux donnees puis a l'analyse.



notion d'evenements

: la faible frequence des evenements potentiellement interessants (bruit de fond inclus), comparee au temps de traversee du detecteur, autorise un format de donnees correspondant a des evenements bien separes.

 un

ot de donnees unique sous forme de lignes ASCII

: chaque programme de la ligne principale prend le ot de donnees comportant toutes les etapes precedentes et le transmet integralement en rajoutant, pour chaque evenement, les lignes correspondant a

4.1 Schema general 87

l'etape qu'il simule. Les donnees qui ne sont pas assujetties a un evenement physique par-ticulier sont ajoutees sous formes d'evenements de calibration. Les parametres constants caracteristiques du detecteur (environnement, geometrie theorique, courbes de reponse des photomultiplicateurs, electronique implementee) sont dans des bases de donnees et librairies de fonctions.



Generation / Verite Monte-Carlo

La premiere etape est la generation d'evenements physiques (signal ou bruit de fond, contenus ou traversants::: ) qui produit des donnees que nous appellerons \verite Monte-Carlo". Cette verite Monte-Carlo contient toutes les caracteristiques du(des) muon(s) entrant(s) s'il s'agit d'un evenement traversant, ou bien du neutrino, de l'interaction et des produits de l'interaction s'il s'agit d'un evenement contenu.



Distorsion / Contr^ole lent / Alignement

La deuxieme etape consiste a simuler les distorsions des lignes de detection dans l'eau, a partir de la geometrie theorique, et en tenant compte des courants et des contraintes mecaniques. Ensuite, parallelement a la simulation des signaux captes par ce detecteur simule, il faut simuler la connaissance que nous avons de l'etat de ce detecteur, qui est donnee par le contr^ole lent. Enn, l'alignement est charge de restituer le detecteur vrai d'apres la geometrie theorique et les donnees du contr^ole lent.



Rayonnement Cerenkov/ Propagation dans l'eau / Bruit optique / Impulsions

La troisieme etape etablit le lien entre la liste des traces correspondant a l'evenement engendre et le detecteur simule : il faut propager chaque particule dans l'eau, simuler les developpements de gerbes electromagnetiques ou hadroniques s'il y a lieu, simuler l'emission de photons Cerenkov, leur propagation et la probabilite qu'ils soient captes par un module optique et convertis a la photocathode en photo-electrons. Parallelement, il faut simuler les signaux du bruit optique ambiant. Tout cela donne un certain nombre de signaux primaires constitues d'impulsions lumineuses converties, caracterisees par un temps d'arrivee (ti) et une amplitude (une charge entiereni).



Simulation des photomultiplicateurs + electronique / Donnees brutes

L'etape suivante prend en compte le transit et l'amplication de la charge, de la photo-cathode a la sortie du photomultiplicateur, puis la transformation en signaux numeriques, par integration ou echantillonage electroniques. On obtient alors les donnees brutes. 

Declenchement / Reconstruction / Selection

Il faut ensuite simuler le declenchement du systeme d'acquisition des donnees qui va re-jeter les evenements ayant laisse trop peu d'informations. Alors sont appliques les algo-rithmes de reconstruction et de selection sur ces donnees brutes, en utilisant les donnees de l'alignement du detecteur. En sortie, sont transmis des evenements reconstruits et selectionnes.



Analyse

C'est alors qu'on peut analyser les implications de ces simulations en visualisant les evenements, et surtout en comparant les parametres vrais (verite Monte-Carlo) et re-construits:::

88 Outils de simulation et de reconstruction

4.2 Generation des evenements contenus

Nous voulons simuler des evenements pour lesquels une interaction neutrino-nucleon par courant charge ou neutre intervient dans le volume visible du detecteur. Pour chaque evenement, il nous faut d'abord simuler les parametres du neutrino, de l'interaction et des produits de l'interaction. La generation de toutes ces caracteristiques, evenement par evenement, doit obeir a deux contraintes : il faut respecter aussi delement que possible les distributions de prob-abilites des evenements reels et assurer des statistiques susantes pour permettre des etudes approfondies avec un bon niveau de conance. Autrement dit,

un compromis est necessaire

entre delite et rapidite

1.

La prise en compte de ces deux contraintes nous a mene a choisir une

technique de tirage

pondere

: les parametresdu neutrino sont tires suivant des distributions simples et pratiques, le neutrino est force d'interagir dans le volume visible, en revanche les distributions des parametres cinematiques et dynamiques sont reproduites aussi delement que possible. Un ux, une section ecace totale et un espace de phase sont transmis sous forme de poids pour chaque evenement. Ainsi il est possible de reutiliser un m^eme lot d'evenements avec des hypotheses dierentes sur les ux ou les sections ecaces par exemple, simplement en modiant les poids dans l'analyse. Il est egalement possible de dedier un lot d'evenements a un domaine restreint (par ex.pour etudier plus precisement les evenements quasi-horizontaux ou quasi-verticaux), ou au contraire d'equilibrer articiellement les statistiques de simulation sur un large domaine (par ex.pour evaluer correctement les performances a ultra haute energie, alors que les taux d'evenements diminuent rapidement avec l'energie en realite).

4.2.1 Sept parametres pour un evenement contenu

Alors qu'un muon entrant dans le

0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 x y t E θ φ µ µ µ µ µ µ ν (0,0,0) x y z φ t θ E vertex vertex vertex vertex ν ν

Figure 4.2: Sept parametres sont necessaires et su-isants pour caracteriser un evenement contenu a une cascade.

detecteur peut ^etre caracterise completement par six

parametres a engendrer

(deux pour sa direction, deux pour la position pro-jetee dans un plan de reference, un pour le temps de passage par ce plan de reference et un pour son energie), un evenement con-tenu de topologie a une cascade necessite sept parametres (la position et le temps dans un plan de reference sont a remplacer par la position et le temps de l'interaction dans l'espace). Les notations correspondantes sont explicitees sur la gure 4.2 ci-contre.

Les

parametres a reconstruire

sont l'energie et la direction du neutrino. En pratique, seulement la direction moyenne et l'energie totale de la cascade sont accessibles. Pour un evenement eN cc, il n'y a en principe aucun biais, tandis que pour un evenement

N cn ou N cc, une partie de l'energie est emportee par le(s) neutrino(s). La determination de la position d'interaction n'a aucune importance physique et celle du temps d'arrivee du neutrino n'a d'importance qu'avec une precision de l'ordre de la seconde (par exemple, pour

1Par exemple, si l'on denit des coupures cinematiques trop l^aches, l'algorithme de simulation de l'interaction du neutrino avec le nucleon peut boucler quasi-indeniment. Au contraire, il est clair que si l'on denit des coupures cinematiques trop severes, l'eventail des possibilites ne sera pas reproduit delement.

Dans le document Caractérisation des performances d'un télescope sous-marin à neutrinos pour la détection de cascades contenues dans le cadre du projet ANTARES (Page 91-96)