3.2 Les gerbes hadroniques
3.2.2 Simulations des cascades hadroniques
Les simulations, dont on détaillera le fonctionnement au paragraphe 5.1.1 (p.93), se composent d’un pro- gramme principal qui suit la propagation de la particule primaire et des particules secondaires dans l’atmo- sphère, d’un modèle d’interactions hadroniques à basse énergie (énergie inférieure à quelques dizaines de GeV), d’un modèle d’interactions hadroniques à haute énergie et d’un modèle d’interactions électromagnétiques (voir pour ce dernier le paragraphe 3.1), l’ensemble des 3 modèles étant là pour tenir compte des différentes interac- tions et désintégrations qui peuvent intervenir durant la propagation des différentes particules.
Il existe différents modèles hadroniques de haute et de basse énergie, ainsi que différents programmes de simulation, qui donnent des résultats différents sur le développement des gerbes dans l’atmosphère. Le dur travail de comparaison des modèles n’étant pas le sujet de cette thèse, nous ne mentionnerons que les différences fondamentales et nous référencerons les articles qui en étudient les différences au niveau de la formation des gerbes. Cependant, les modèle hadroniques de haute énergie étant à ce jour les moins contraints, ce sont eux qui génèrent le plus d’incertitudes sur le développement des gerbes. Nous reviendrons donc sur les différences qu’ils engendrent au niveau des propriétés de la gerbe dans le paragraphe suivant.
2Les interactions mises en jeu dans le processus de formation des gerbes hadroniques sont présentées dans la thèse de PIERREDA
3.2.2.1 Programmes de simulation
Le programme de simulation a pour rôle de suivre pas à pas la propagation des particules dans l’atmo- sphère, de décider pour chaque particule le modèle adapté et de grouper les particules du même type dont les conditions sont proches (procédure de thinning qui permet de réduire le temps de calcul (voir § 5.1.1)). Les deux programmes de simulation les plus utilisés à ce jour sont :
– AIRES [70] (AIR shower Extended Simulation) est en fait une nouvelle version du programme MOCCA développé par HILLASpour l’expérience Haverah Park. Il permet de simuler rapidement des gerbes sur
une très large gamme d’énergie (1012-1020eV).
– CORSIKA[71] (Cosmic Ray Simulations for Kascade), originalement conçu pour l’expérience KAS-
KADE, est le seul programme qui peut utiliser l’ensemble modèles hadroniques de haute et de basse
énergie. Il permet ainsi d’étudier les systématiques des différents modèles.
Considéré comme plus fiable et plus détaillé que son concurrent, CORSIKA est aujourd’hui utilisé dans
de nombreuses expériences telles que l’expérience HESS (1012eV) ou l’expérience PIERREAUGERaux ultra
hautes énergies (1020eV).
3.2.2.2 Modèles d’interactions hadroniques à basse énergie
A basse énergie (énergie dans le centre de masse inférieure à quelques dizaines de GeV), il existe plusieurs modèles ajustant les nombreuses mesures réalisées sur accélérateur, qui prédisent les sections efficaces d’inter- actions hadroniques inélastiques. Parmi ces modèles, on retrouve GHEISHA et FLUKA, les deux modèles les plus utilisés à ce jour :
– GHEISHA [72] (Gamma Hadron Electron Interaction SHower code) est un Monté Carlo fondé sur le programme GEANT3 [73] qui décrit les interactions des particules hadroniques dans la matière jusqu’à 100 GeV.
– FLUKA [74] (FLUctuating KAscade) est un Monte Carlo très détaillé de propagation, d’interaction et de désintégration des particules dans la matière. C’est aujourd’hui le modèle de plus utilisé.
A ce jour, les deux modèles donnent des résultats sensiblement différents, cependant des tests ont montré (c.f. [75]) que FLUKA est plus précis et surtout plus fiable que GHEISHA.
3.2.2.3 Modèles d’interactions hadroniques à haute énergie
Les interactions à haute énergie n’ayant pas été étudiées directement, les modèles sont soit des extrapo- lations de mesures sur accélérateur à basse énergie, soit des modèles affinés pour rendre compte des données de basse énergie. Parmi ces modèles, on retrouve DPMJET, SIBYLL et QGSJET, les trois modèles les plus
couramment utilisés :
– Sibyll [76]. Dans ce modèle, les sections efficaces nucléons-noyaux obtenues sur accélérateur sont pa- ramétrisées et extrapolées aux ultra hautes énergies. Les sections efficaces noyaux-noyaux sont ensuite estimées dans l’hypothèse simple où ces derniers sont la superposition de nucléons libres.
– QGSJET[77] (Quark Gluon String model with Jet) est basé sur la théorie de GRIBOV-REGGE. Il décrit
les interactions élastiques par un échange d’un ou plusieurs Pomerons alors que les processus inélastiques sont simulés par la division d’un Pomeron formant ainsi deux cordes qui se désintègrent à leur tour en deux hadrons sans couleurs. C’est aujourd’hui le modèle le plus utilisé dans le domaine des rayons cosmiques.
– DPMJET[78] (Dual Parton Model with Jet) développé pour simuler les collisions à des énergies ultra-
3.2. LES GERBES HADRONIQUES 67
Dans ces modèles, l’implémentation de minijets a été incluse pour décrire les processus fortement inélastiques, importants aux plus hautes énergies.
Ces modèles présentent de nombreuses différences tant au niveau des propriétés des gerbes qu’ils prévoient (nous y reviendrons dans le paragraphe 3.2.3) qu’au niveau des sections efficaces utilisées. Par exemple, ils sont responsables de la première interactions du hadron primaire dans l’atmosphère. Or la section efficace to- tale d’interactions inélastiques proton-air de SIBYLLest plus grande que celle de QGSJETà 1020eV d’environ
20% (voir figure 3.8). 250 300 350 400 450 500 550 600 650 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 DPMJET 2.55 neXus 2 QGSJET 01 SIBYLL 2.1 Elab (eV) σ inel p-air (mb) Mielke et al. Yodh et al. Aglietta et al. Baltrusaitis et al. Honda et al. Frichter et al. rescaled by Block et al. Block et al.
FIG. 3.8 : Modèles de section efficace totale d’interactions inélastiques proton-air ajustant les données ob-
tenues sur les gerbes atmosphériques (figure provenant de la référence [80]). Sur ce graphique est repré- senté les modèles de FRICHTER[81] et de BLOCK[82]. Les données expérimentales proviennent des expé- riences JACEE [83], FLY’S EYES[84], AKENO [85], EAS-TOP [86] et d’un calorimètre hadronique utilisé parMIELKE[87].
Les gerbes simulées par SIBYLLsubissent ainsi leur première interaction plus haut dans l’atmosphère que
celles générées par QGSJET, ce qui va influencer le reste du développement de la gerbe.