Astronomie à rayons cosmiques d'ultra-haute énergie avec dix ans de données de l'observatoire Pierre Auger

Cosmic-ray astronomy at the highest energies with ten years of data of the Pierre Auger observatory

• Auteur / Autrice : Lorenzo Caccianiga
• Direction : Julien Aublin, Piera Luisa Ghia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/09/2015
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Physique nucléaire et hautes énergies (Paris ; 1997-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Delphine Hardin, Cyril Lachaud, Corinne Berat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Miguel Mostafa, Elisa Resconi
• DOI : 10.70675/ce6d2c09zb2c3z48e0z925bz20909cf9c196

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement cosmique

Astrophysique nucléaire

Masse (physique)

Observatoires astronomiques

Argentine

Mots clés libres

Rayons cosmiques

Astrophysique

Masse

Observatoire Pierre Auger

Haute energie

Anisotropie

Ultra-high energy cosmic rays

Astrophysics

Pierre Auger Observatory

Résumé

L'identification des sources de rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (au-delà de 10^18 eV) constituerait une avancée majeure aussi bien dans le domaine de l'astrophysique que dans celui de la physique des particules. La difficulté principale dans la recherche de telles sources réside dans la perte de l'information directionnelle des rayons cosmiques les moins énergétiques. En effet, leur direction est sujette à des déviations d'amplitude inversement proportionnelle à leur énergie à cause des champs magnétiques qu'il traversent lors de leur propagation jusqu'à la Terre. D'autre part, pour des énergies supérieures à 4x10^(19)eV, l'interaction des rayons cosmiques avec le fond diffus cosmologique limite l'horizon de leurs sources à l'Univers proche (200 Mpc ou moins). Cette thèse a été effectuée au sein de l’observatoire Pierre Auger, le plus grand détecteur de rayons cosmiques de haute énergie. Elle est dédiée à l'étude, la sélection, la reconstruction, ainsi qu'à l'analyse des évènements de plus haute énergie. D'autre part, les particules de plus bas numéro atomique sont plus susceptibles de garder leur direction mais la composition des rayons cosmiques est inconnue à de telles énergies. Une méthode de sélection des événements les plus similaires aux protons a été élaborée et développée dans cette thèse pour étudier la possibilité de leur utilisation pour une ''astronomie protons''

Identifying the sources of the ultra-high energy cosmic rays (UHECRs, above 10^{18} eV), the most energetic particles known in the universe, would be an important leap forward for both the astrophysics and particle physics knowledge. However, developing a cosmic-ray astronomy is arduous because magnetic fields, that permeate our Galaxy and the extra-Galactic space, deflect cosmic rays that may lose the directional information on their sources. This problem can be reduced by studying the highest energy end of the cosmic ray spectrum. Indeed, magnetic field deflections are inversely proportional to the cosmic ray energy. Moreover, above 4x10^{19} eV, cosmic rays interact with cosmic photon backgrounds, losing energy. This means that the sources of the highest energy cosmic rays observed on Earth can be located only in the nearby universe (200 Mpc or less). The largest detector ever built for detecting cosmic rays at such high energies is the Pierre Auger Observatory, in Argentina. It combines a 3000 km^2 surface array of water Cherenkov detectors with fluorescence telescopes to measure extensive air showers initiated by the UHECRs. This thesis was developed inside the Auger Collaboration and was devoted to study the highest energy events observed by Auger, starting from the selection and reconstruction up to the analysis of their distribution in the sky. Moreover, since the composition at these energies is unknown, we developed a method to select proton-like events, since high Z cosmic rays are too much deflected by magnetic fields to be used for cosmic-ray astronomy.