Photodetection Aspects of JEM-EUSO and Studies of the Ultra-High Energy Cosmic Ray Sky

par Carl Blaksley

Thèse de doctorat en [Champs, particules, matières]

Sous la direction de Étienne Parizot et de Philippe Gorodetzky.

Soutenue en 2013

à Paris 7 .

  • Titre traduit

    Etudes de photodétection pour l'Observatoire JEM-EUSO et Phénoménologie des Rayons Cosmique d'Ultra-Haute Energie


  • Résumé

    Cette thèse propose tout d'abord une introduction au domaine des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (RCUHE), incluant la physique des gerbes atmosphériques, les aspects astrophysiques et les techniques expérimentales utilisées. Les questions actuelles relatives à la physique des RCUHE sont mentionnées, de même que les défis expérimentaux rencontrés dans ce domaine. La physique de la fluorescence de l'air est également présentée, et l'expérience JEM-EUSO décrite en détail. Les travaux expérimentaux réalisés au cours de cette thèse portent sur les aspects de photo-détection du projet spatial JEM-EUSO. Le manuscrit décrit le fonctionnement des tubes photomultiplicateurs (PMT) et la technique de comptage de photoélectron unique, utilisée pour mesurer l'efficacité des PMT avec une précision de quelques pour-cent. Le dispositif original développé pour réaliser le tri des PMTs JEM-EUSO est décrit en détail. Il inclut des éléments de hardware (assemblage et calibration de l'acquisition de données), ainsi que de software (acquisition et analyse). Ce dispositif est utilisé pour la calibration absolue de la surface focale de l'expérience EUSO-Balloon. Un dispositif expérimental permettant de mesurer le rendement de fluorescence de l'air est également présenté, de même que les tests d'un prototype d'alimentation à haute tension destiné à EUSO-Balloon. Un second volet de la thèse regroupe des études phénoménologiques originales sur les RCUHE, avec une étude des modifications de leur composition chimique dues à la prise en compte d'énergies maximales différentes suivant les sources, ainsi qu'une étude de l'évolution de la statistique des sources avec l'énergie.


  • Résumé

    In this thesis, an introduction to the Ultra-High Energy Cosmic Ray (UHECR) field is given, including air shower physics, UHECR astrophysics, and experimental techniques. The current questions in UHECR physics are mentioned, along with the experimental challenges encountered in the field. The physics of air fluorescence is also presented, and the JEM-EUSO experiment is introduced in detail. The original contributions in this thesis are divided into experimental work on photodetection aspects of JEM-EUSO and phenomenological studies of UHECR composition and source statistics. A comprehensive introduction to photomultiplier tubes (PMTs) and single photoelectron counting are given, and the measurement of PMT efficiency with an uncertainty of a few percent is discussed in detail. An experimentat setup for measuring the air fluorescence yield is also introduced, and tests of the EUSO-Balloon high voltage power supply prototype are presented. A setup for sorting the JEM-EUSO PMTs is developed, including the assembly and calibration of data acquisition hardware and the development of acquisition and analysis software. This system is used to perform an absolute calibration of the EUSO-Balloon focal surface, along with measurements of the PMT pixel width and dead-space. In the phenomenological part of this work, it is shown that a distribution of source maximum energies must be considered in order to understand the energy spectrum and the composition of UHECRs. The number of sources which can be expected to contribute to the UHECR sky is also studied, finding that O (1) sources contribute > 50% of the flux at 1020 eV.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XII-311 p.)

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Paris Diderot - Paris 7. Service commun de la documentation. Bibliothèque Universitaire des Grands Moulins.
  • PEB soumis à condition
  • Cote : TS (2013) 235
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