Etude multi-messagers et phénoménologie des sources de rayons cosmiques d'ultra-haute énergie : l'éclairage de l'Observatoire Pierre Auger

par Guillaume Decerprit

Thèse de doctorat en Astronomie et astrophysique

Sous la direction de Etienne Parizot.

Soutenue en 2010

à Paris 7 .


  • Résumé

    La thématique des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (RCUHEs) est d'importance. Nous présentons l'état du sujet, ainsi que les apports de l'Observatoire Pierre Auger : la mesure du spectre d'énergie au delà de 1 EeV et de la coupure à haute énergie avec une grande significativité, la mesure d'observables de composition qui montrent un alourdissement avec l'énergie, et la mesure d'une anisotropie faible sauf vers Centaurus~A. Dans la seconde partie, on étudie la propagation extra-galactique des RCUHEs. On étudie les influences de l'accélération et composition aux sources sur les spectres à la Terre. On démontre la viabilité d'un modèle astrophysique satisfaisant, dit low-Emax, qui s'ajuste aux données. Un outil numérique de propagation de protons/noyaux, avec champs magnétiques, est présenté dans ce cadre. Nous présentons en quatrième partie une étude indépendante de contraintes, par les données angulaires d'Auger, sur la densité des sources de RCUHEs et leur déflexion dans les champs. Une analyse des données par percolation est également présentée, et démontre leur faible anisotropie. Une partie entière est dédiée à la phénoménologie d'un messager secondaire : le photon. On expose sa propagation et l'outil numérique entièrement développé à ce sujet, intégré dans l'outil de propagation de RCUHEs. Cela donne un code numérique global, vraiment multi-messagers, qui nous offre un outil complet pour fonder un modèle global de concordance qui satisferait l'ensemble des contraintes actuelles, dont les limites expérimentales de Fermi sur le flux diffus de photons au TeV. Nous terminons sur les perspectives offertes par la construction d’un modèle global de RCUHEs.

  • Titre traduit

    Study on a multi-messenger basis and phenomenology of the sources of ultra-high energy cosmic rays : the pierre auger observatory contribution


  • Résumé

    He field of Ultra-high Energy Cosmic rays (UHECRs) is puzzling. The present state is outlined, and the contribution of the Pierre Auger Observatory. The latter provided physicists with key results : the measurement of the energy spectrum above 1 EeV and the high-energy cut off at a high significance level, the measurement of composition-sensitive variables that indicate UHECRs are heavier with energy, and the measurement of a weak anisotropy signal except near Centaurus-A. The second part of the thesis deals with UHECRs extra-galactic propagation from their source. We study the implications of composition and acceleration at sources on the propagated spectra at the Earth. We demonstrate the feasibility of an astrophysical model, the low-Emax scenario, that fits the data. A numerical code of protons/nuclei propagation, in magnetic fields, is detailed. The fourth part shows an independent study of the constraints by Auger angular data on the density of UHECRs sources and typical deflections. A percolation tool is used for a direct data analysis and also demonstrates the weak anisotropy signal. A whole part of the thesis is dedicated to a critical secondary particle: the photon. We discuss its extra-galactic propagation and its related numerical tool entirely developed during the thesis and incorporated in the proton/nuclei code. This leads to a global numerical tool, truly multi-messengers oriented and comprehensive, used to build a global concordance model, able to fit the entire set of available constraints, including Fermi upper limits on the diffusive photon flux at TeV. We will conclude with the future prospects possibly opened from a global model of the UHECRs.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (293 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 135 réf.

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  • Cote : TS (2010) 163

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  • Cote : 10 PA07 7163
  • Bibliothèque : Observatoire de Paris (Section de Meudon). Bibliothèque.
  • PEB soumis à condition
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