Xác định bản chất tia vũ trụ năng lượng siêu cao sử dụng đài thiên văn pierre au

LAL 10-241 Décembre 2010 THÈSE Présentée le 17 décembre 2010 par Ngoc Diep PHAM tel-00630205, version 1 - 7 Oct 2011 pour obtenir le grade de Docteur ès Sciences de l’Université Paris-Sud 11, Orsay Contribution à l'identification de la nature des rayons cosmiques d'énergie extrême à l'Observatoire Pierre Auger Soutenue devant la commission d’examen composée de : M. DARRIULAT Directeur de thèse M. CORDIER Directeur de thèse M. URBAN i VI'N KHOA H%C VÀ CÔNG NGH' B2 GIÁO D3C VÀ &ÀO T$O VI'T NAM VI'N V!T LÝ LU!N ÁN TI"N S# B!o v" ngày 17 tháng 12 n#m 2010 b$i PH$M NG%C &I'P tel-00630205, version 1 - 7 Oct 2011 Chuyên ngành : V%t lý n#ng l&'ng cao Mã s( : 62.05 Xác ()nh b*n ch+t tia v, tr- n.ng l/0ng siêu cao s1 d-ng &ài thiên v.n Pierre Auger H)i *+ng ch,m lu%n án bao g+m : Ch- t.ch : François COUCHOT Phòng thí nghi"m LAL, Orsay Ph!n bi"n : Pierre BILLOIR /0i h1c Paris 6 và Paris 7 Nguy2n M%u CHUNG /0i h1c Khoa h1c T3 nhiên Ng&4i h&5ng d6n : Pierre DARRIULAT Vi"n KH&KT H0t nhân Hà N)i Alain CORDIER /0i h1c Paris-Sud 11 Thành viên : Nguy2n Anh K7 Vi"n V%t lý Hà N)i Marcel URBAN Phòng thí nghi"m LAL, Orsay ii This thesis has been made under joint supervision of Professors Alain Cordier (LAL, Orsay) and Pierre Darriulat (IOP, Hanoi) following the agreement DRI/GI/AV/CJ-26/05/05 between Université Paris-Sud 11 and tel-00630205, version 1 - 7 Oct 2011 the Institute of Physics of Hanoi.

Cette thèse a été réalisée sous la direction conjointe des professeurs Alain Cordier (LAL, Orsay) et Pierre Darriulat (IOP, Hanoi) en application de la convention internationale de cotutelle de thèse DRI/GI/AV/CJ-26/05/05 entre l’Université Paris-Sud 11 et l’Institut de Physique de Hanoï. B!n lu%n án này *&'c th3c hi"n d&5i d0ng h'p tác *+ng h&5ng d6n b$i GS Alain Cordier (LAL, Orsay) và GS Pierre Darriulat (Vi"n V%t lý, Hà N)i) theo h'p *+ng DRI/GI/AV/CJ-26/05/05 gi8a /0i h1c Paris 11 và Vi"n V%t lý Hà N)i. iii CONTRIBUTION TO THE IDENTIFICATION OF PRIMARY ULTRA HIGH ENERGY COSMIC RAYS USING THE PIERRE AUGER OBSERVATORY tel-00630205, version 1 - 7 Oct 2011 1 Table of Contents ACKNOWLEDGEMENTS.4 RÉSUMÉ EN LANGUE FRANÇAISE.5 TÓM T!T LU"N ÁN B#NG TI$NG VI%T.16 COSMIC RAY STUDIES AT THE PIERRE AUGER OBSERVAROTY.1 GENERALITIES ON COSMIC RAYS .2 The main features.4 Diffusive shock acceleration.5 Extra galactic sources .2 THE PIERRE AUGER OBSERVATORY .23 tel-00630205, version 1 - 7 Oct 2011 2.2 The surface detector.5 Energy spectrum and the GZK cut-off .6 Correlations with astronomical sources.3 IDENTIFICATION OF THE PRIMARIES.40 JUMPS AS AN IRON-PROTON DISCRIMINATOR.1 Separate contributions to J .2 Parameterization of J as a function of Q and N! .3 IRON-PROTON DISCRIMINATION .4 ENERGY DEPENDENCE AND CORRELATIONS .2 Looking for an energy independent iron proton discriminator .5 AN ENERGY-INDEPENDENT ANALYSIS OF AUGER DATA .6 CEN A CORRELATED SHOWERS .3 Muon densities at 1000 meters from shower axis: Cen A and whole sky data samples.4 Separation between the Cen A and whole sky sample as compared to that expected between iron and proton primaries .75 SIMULATION OF ELECTROMAGNETIC SHOWERS. LONGITUDINAL SHOWER DEVELOPMENT .3 Parameterization of the profile.4 Neutral pion showers .3 THE LPM EFFECT .83 tel-00630205, version 1 - 7 Oct 2011 4.1 Description of the effect.2 Migdal evaluation and experimental evidence .3 Evaluation of the effect on extensive air showers.4 THE PERKINS EFFECT .92 SIMULATION OF HADRONIC SHOWERS .3 Nucleon-nucleon interactions .1 Nucleon air interactions .2 Iron-air interactions .3 Inelastic interaction cross section .2 Energy losses and multiple Coulomb scattering.104 SUMMARY AND CONCLUSION .107 3 ACKNOWLEDGEMENTS First of all, I would like to express my deepest gratitude to Pr Pierre Darriulat who is my “Vietnamese” cosupervisor.

He has been spending a lot of his time guiding me and following every progress of the work of the thesis. I would say without his supervision this thesis would not be possible. His idea to make thesis in “cotutelle” is great idea, a very nice system to raise the level of PhD thesis in Vietnam. Secondly, I am very grateful to Pr Alain Cordier and Pr Nguy&n Ái Vi't who quickly supported us right after we had the idea to make the thesis in cotutelle.

Being my French cosupervisor Pr Alain Cordier has supported my work and done all his best for me to save time to concentrate on the work with utmost time and effort. I deeply thank Dr Marcel Urban for his scientific guidance; a lot of work done in this thesis had been inspired by his ideas and the work done at the Auger- LAL group. I enjoyed very much my three month stay every year in the dynamic, friendly and open working environment in his group. The colleagues from the tel-00630205, version 1 - 7 Oct 2011 group, Xavier Garrido, Sylvie Dagoret-Campagne, Karim Louedec, Delphine Monnier-Garaigne, Kégl Balázs and Rémi Bardenet, have been very helpful in giving me a hand each time when I had problem.

I warmly thank my colleagues at VATLY, () Th* Hoài, Ph+m Th* Tuy,t Nhung, Ph+m Ng-c (.ng, Nguy&n Th* Th/o, Nguy&n V0n Hi'p, Ph+m Tu1n Anh, Lion Alio, (oàn Th* The, who have been working with me, gave me a lot of help and support. Their friendship is a source of encouragement for me. I am also grateful for the moral support from Dr Võ V0n Thu2n, Dr (3ng Quang Thi'u, the directorial board and colleagues of the Institute for Nuclear Science and Technology where our laboratory is located. I acknowledge constant support of the scientists from Auger Collaboration, in particular Professors Jim Cronin, Alan Watson, Pierre Billoir and Tiina Suomijärvi.

I thank Dr Frédéric Fleuret (École Polytechnique) for taking the time of giving me useful explanation and information about nucleus-nucleus interactions at high energy. I would like to thank Professors François Couchot, Nguy&n M2u Chung and Nguy&n Anh K4 for accepting to be in the jury for my thesis defense, and in particular the two rapporteurs Pr Pierre Billoir and Pr Nguy&n M2u Chung who spent a lot of time to read and comment the thesis. I would like to thank Professors Nguy&n Nh5 (+t, Nguy&n (+i H5ng and their colleagues of the doctoral school at Vietnam IOP for their support. I also would like to thank colleagues from LAL who have done a lot of administrative work to make my stay at LAL very easy and pleasant.

Financial support from the World Laboratory, Rencontres du Vietnam (bourse Odon Vallet), French CNRS, Région Île-de-France, University Paris Sud, the LIA FVPPL project, Vietnam Atomic Energy Institute and Ministry of Science and Technology (the 760/2008/HD-NDT project) is gratefully acknowledged. Finally, I am deeply grateful to my wife, my son and other members of my family who are always besides me encouraging and supporting me to do research. 4 RÉSUMÉ EN LANGUE FRANÇAISE Bien que la découverte des rayons cosmiques date d’un siècle, ce n’est que récemment qu’on est parvenu à identifier leurs sources galactiques comme étant des restes de jeunes Supernovae (SNR). La difficulté était la déviation de leurs trajectoires dans le champ magnétique du disque de la Voie Lactée, empêchant d’associer leurs sources à des objets célestes connus.

C’est l’astronomie en rayons gamma qui a permis de sauter cet obstacle en associant les sources de rayons gamma d’énergies supérieures au TeV à des enveloppes de jeunes SNRs. Ces découvertes récentes n’ont toutefois pas été capables d’expliquer l’origine de la composante extra galactique des rayons cosmiques, dite d’ultra haute énergie (UHECR), ni d’identifier leurs sources et le mécanisme d’accélération. Ce n’est que tout récemment, avec la construction de l’Observatoire Pierre Auger (PAO), que la physique des UHECR est apparue sous un jour nouveau. Le PAO, avec lequel notre laboratoire est associé, et dans le cadre duquel cette thèse a été réalisée, est un immense réseau de 1600 compteurs Cherenkov (SD, pour détecteur de surface) couvrant une superficie de 3000 km2 dans la pampa argentine.

Il abrite tel-00630205, version 1 - 7 Oct 2011 également des détecteurs de fluorescence (FD) qui permettent une détection hybride des grandes gerbes pendant les nuits claires et sans lune. Le PAO a déjà accumulé, pour la première fois au monde, une centaine d’UHECRs d’énergies supérieures à 50 EeV dont l’étude des propriétés est ainsi devenue possible. De fait, deux résultats majeurs ont déjà été obtenus, qui marquent un jalon important dans l’étude de la physique des UHECRs: l’observation d’une coupure dans la distribution en énergie, aux alentours de 100 EeV, associée pour l’essentiel au seuil de photoproduction de pions dans les interactions des UHECRs avec les photons du fond cosmique fossile; et la mise en évidence d’une corrélation entre les directions vers lesquelles pointent les UHECRs et les concentrations de matière extragalactique de l’univers proche, en particulier la région de Cen A. A plus basse énergie, jusqu’à une cinquantaine d’EeV, le PAO a mis en évidence une augmentation des masses primaires vers le fer quand l’énergie augmente.

Cette observation se base sur des mesures de l’altitude à laquelle la gerbe atteint son développement maximal, censée être plus élevée pour les noyaux de fer que pour les protons. Toutefois, les estimations de la masse primaire basées sur la densité de muons au sol se heurtent à des incohérences entre observations et prédictions des modèles conventionnels de développement des gerbes qui empêchent de conclure. On n’est pas encore parvenu à assembler les pièces de ce puzzle de façon claire et définitive. Une possibilité serait que les UHECR qui pointent vers des galaxies proches, comme CenA, soient des protons et que les autres soient des noyaux de fer.

Mais cela reste encore à prouver. Le travail présenté dans la thèse est une contribution modeste à ce programme de recherche. Il met l’accent sur des méthodes d’identification des masses primaires basées sur la mesure de la densité des muons au sol, en particulier sur la méthode des sauts (jump method) qui a été conçue et développée au LAL d’Orsay où une partie importante de la thèse a trouvé son inspiration. 5 La méthode des sauts identifie la présence de sauts soudains dans les traces des FADC, formant un saut total J, avec celle de muons.

La lumière Cherenkov produite par les particules de la gerbe qui traversent les détecteurs du SD est captée par des tubes photomultiplicateurs dont les signaux sont enregistrés en fonction du temps dans des convertisseurs analogue/digital rapides (FADC, 40 MHz). La relation entre le saut total, J, et les propriétés des traces des FADCs montre, en particulier, que pour avoir une chance d’apprendre quelque chose de sensé sur le nombre N! de muons qui contribuent à la trace du FADC, il est nécessaire de restreindre l’observation à des détecteurs qui ne soient pas trop proches de l’axe de la gerbe. Une étude séparée des traces induites par des muons et par des électrons ou photons montre que J est approximativement proportionnel à N! et à Q (la charge totale), ce qui n’est pas surprenant. En combinant des traces de muons et d’électrons/photons on trouve que J peut être décrit par une expression de la forme J={(43.

Nous étudions ensuite la séparation entre primaires légers (protons) et lourds (fer) à laquelle on peut s’attendre de la mesure des valeurs de J dans les compteurs touchés par la gerbe. Nous remarquons que même si nous connaissions N! tel-00630205, version 1 - 7 Oct 2011 exactement (ce qui bien sûr n’est pas le cas) la séparation entre fer et proton ne dépasserait pas les 30%, ce qui donne une mesure de la corrélation entre la nature des primaires et la densité des muons au sol. Ceci implique que l’identification des primaires à un niveau de confiance correspondant à trois déviations standard requiert un minimum de cinquante détecteurs dans lesquels on puisse mesurer la valeur prise par J.