Performance of the Electromagnetic Calorimeter of AMS-02 on the International Space Station ans measurement of the positronic fraction in the 1.5 – 350 GeV energy range.

par Laurent Basara

Thèse de doctorat en Physique subatomique et astroparticules

Sous la direction de Sylvie Rosier-Lees.

Soutenue le 05-05-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules (laboratoire) .

Le président du jury était Jean Karyotakis.

Le jury était composé de Fernando Barao, Oscar Adriani.

Les rapporteurs étaient Andrei Kounine, Pascal Vincent.

  • Titre traduit

    Performances du calorimètre électromagnétique d'AMS02 sur la station spatiale internationale et mesure du rapport positronique dans le domaine en énergie 1.5-350 giga électron volt


  • Résumé

    L'expérience AMS-02 est un détecteur de particules installé sur la station spatiale internationale (ISS) depuis mai 2011, date à partir de laquelle il mesure les caractéristiques des rayons cosmiques afin d'apporter des réponses aux problématiques soulevées par la physique des astroparticules depuis quelques décennies, en particulier l'étude indirecte de la matière sombre et la recherche d'antimatière. Les aspects phénoménologiques de la physique des rayons cosmiques sont revus dans la première partie. Une deuxième décrit les performances en vol des différents sous-détecteurs d'AMS-02, en particulier du calorimètre électromagnétique. Il est montré, en utilisant les particules au minimum d'ionisation (MIPs), qui constituent l'essentiel du rayonnement cosmique, que le calorimètre fonctionne comme prévu, et que l'on retrouve les mêmes performances qu'au sol. Cette étude est utilisée pour suivre au cours du temps l'évolution des performances du détecteur. Elle permet également de développer un estimateur de charge pour les noyaux utilisant le calorimètre. Une troisième et dernière partie s'attache enfin à déterminer le rapport positronique. La principale difficulté de cette mesure est d'identifier les positons en rejetant les protons grâce aux caractéristiques des gerbes dans la calorimètre. Après avoir défini des variables pertinentes pour cette séparation, nous construisons un estimateur via une analyse multivariée, en nous appuyant sur des simulations Monte-Carlo d'électrons pour les plus hautes énergies. Au-delà de 100 GeV, nous obtenons un taux de réjection de l'ordre de 10 000 pour 90% d'efficacité. Après avoir estimé la confusion de charge, cet estimateur nous permet finalement, de déterminer le rapport positronique pour les données acquises pendant les 18 premiers mois et pour des énergies allant de 1.5 à 350 GeV.


  • Résumé

    The AMS-02 experiment is a particle detector installed on the International Space Station (ISS) since May 2011, which measures the characteristics of the cosmic rays to bring answers to the problematics risen by the astroparticle physics since a few decades, in particular the study of dark matter and the search of antimatter. The phenomenological aspects of the physics of cosmic rays are reviewed in a first part. A second one describes the in-flight performances of the different subdetectors of AMS-02, in particular the electromagnetic calorimeter. It is shown, using particles at the ionizing minimum (MIPs), accounting for the main part of cosmic rays, that the calorimeter works as expected, and we find the same performances as on ground. This study is used to follow in time the evolution of the detector performances. It also allows to develop a charge estimator for the nuclei using the calorimeter. A third and final part, deals with the determination of the positronic fraction. The main difficulty of this measurement is to identify the positrons by rejecting the protons thanks to the characteristics of the showers in the calorimeter. After having defined variables relevant for this separation, we build an estimator using a multivariate analysis and Monte-Carlo simulations of electrons for the higher energies. Above 100 GeV, we obtain a rejection factor of about 10 000 at a 90% efficiency. After having estimated the charge confusion, this estimator, finally, allows us to determine the positronic ratio for the first 18 months of data and energies ranging from 1.5 to 350 GeV.


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