Search for populations of unresolved sources of high energy neutrinos with the ANTARES neutrino telescope

par Rodrigo Gracia Ruiz

Thèse de doctorat en Physique. Astronomie des neutrinos

Sous la direction de Antoine Kouchner.

Soutenue le 23-11-2016

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris) , en partenariat avec Université Paris Diderot - Paris 7 (établissement de préparation) et de AstroParticule et Cosmologie (laboratoire) .

Le président du jury était Étienne Parizot.

Le jury était composé de Dorothea Samtleben, Bruny Baret, Juan Antonio Aguilar Sánchez.

Les rapporteurs étaient Isabelle Lhenry-Yvon, Annarita Margiotta.

  • Titre traduit

    Recherche d'une population de sources non résolues de neutrinos de haute énergie avec ANTARES


  • Résumé

    La physique des astroparticules est un domaine de la physique lié a l'étude des phénomènes astrophysiques les plus violents de l'univers comme les trous noirs dans les galaxies actives (AGN) ou les sursauts de rayons gamma (GRB), qui émettent plusieurs messagers cosmiques comme des neutrinos, des ondes gravitationnelles, des rayonnements électromagnétiques et des particules chargées. Pour mieux comprendre ces objets une approche multi-messagers est mise en place au sein de laquelle, l'observation de neutrinos cosmiques est devenue un enjeu majeur. Grâce à ses caractéristiques physiques, les neutrinos permettent d'ouvrir une nouvelle fenêtre d'observation sur l'univers lointain et de mieux comprendre les phénomènes physiques qui se produisent dans les environnements astrophysiques les plus denses.Cette thèse comporte trois grandes parties. La première partie est composée par trois chapitres consacrés au contexte scientifique dans lequel se développe le reste de la thèse. Dans le premier chapitre sont décrites les motivations scientifiques de la recherche de neutrinos cosmiques de haute énergie. Puis, dans le chapitre 2 sont décrites les caractéristiques principales des noyaux actifs de galaxie (AGN) comme sources potentielles de neutrinos. Ces sources ont été choisies comme objets "test" dans la recherche de sources potentielles. Enfin, le troisième chapitre est consacré au principe de détection et aux principaux résultats des télescopes à neutrinos en opération. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la description technique du télescope à neutrinos ANTARES, et est composée de deux chapitres. Le chapitre 4 décrit le télescope ANTARES, l’acquisition et la sélection des données. Dans la dernière partie de ce chapitre, le travail effectué pour mesurer la perte d’efficacité des photomultiplicateurs (PMTs) en utilisant la ligne de base des taux de comptage des signaux est décrite. Le chapitre 5 est consacré à la simulation Monte Carlo. Les différents programmes de simulation utilisés par la collaboration ANTARES sont présentés, et les différents processus simulés sont décrits. Une contribution au programme officiel de génération des événements est décrite, relative à l’implémentation de la propagation des taus ainsi que l’ajout dans la simulation de 15 canaux de décroissance.La troisième partie est consacrée à la recherche de signaux cosmiques potentiels dans les événements enregistrés par ANTARES. Elle comporte 4 chapitres. Le chapitre 6 est une description de la méthode de recherche de signal, le chapitre 7 est dédié présente les principes d’une analyse fondée sur une fonction de corrélation à 2 points qui sera effectuée dans le chapitre 9 afin de chercher un éventuel excès de neutrinos cosmiques dont la distribution spatiale attendue est différente de celle des neutrinos atmosphériques. Cette méthode est particulièrement adaptée pour détecter l’effet collectif produit par des populations de sources ponctuelles faibles. Le chapitre 8 décrit la simulation du flux de neutrinos émis par des sources de type AGN. En utilisant la fonction de luminosité pour plusieurs classes d'AGN obtenu à partir d'observations en rayonnement X de ces objets et l'acceptance d'ANTARES, un ensemble de simulations de neutrinos provenant de populations d'AGN est obtenu en fonction de deux paramètres liés au nombre d'AGN dans la population et à leurs luminosités. L’analyse de ces événements avec la fonction de corrélation à deux points est détaillée dans le chapitre 9.


  • Résumé

    Astroparticle physics is a branch of physics related to the study of the most violent astrophysical phenomena in the Universe such as Active Galactic Nuclei (AGN) or Gamma Ray Bursts (GRB), which emit different cosmic messengers such as neutrinos, gravitational waves, electromagnetic radiation and charged particles. A proper understanding of these objects involves then a multi-messenger approach, in which neutrinos play a fundamental role. Thanks to their physical properties, neutrinos allow us to explore the physical phenomena produced in the densest astrophysical environments and to observe the Universe at large distances. This thesis is divided into three main parts. The first part is composed by three chapters dedicated to the scientific context in which the rest of the thesis is developed. In the first chapter, the scientific motivations for the search of high energy cosmic neutrinos are described. In chapter 2, a description of the main properties of AGN are given. These sources have been chosen as "test" objects in the research of potential neutrino sources. Finally, the third chapter is dedicated to the detection principle and main results of the currently operating neutrino telescopes. The second part of the thesis is dedicated to the technical description of the ANTARES neutrino telescope, and composed of two chapters. Chapter 4 describes the ANTARES telescope, the data acquisition and the data selection. In the last part of this chapter, the work made to measure the efficiency loss of the photomultipliers (PMTs) by using the baseline rates is described. Chapter 5 is dedicated to the Monte Carlo simulations. The different simulation packages used by the ANTARES collaboration are presented, and the different simulated processes are described. A contribution to the official package for the generation of neutrino interactions, relative to the implementation of the propagation and decay of the tau leptons, is described. The third part is dedicated to the search of potential cosmic signals in the events recorded by ANTARES. It comprises four chapters. Chapter 6 is a description of the signal search method, chapter 7 presents the principles of an analysis based on a 2 point correlation function that will be applied in chapter 9 with the purpose of searching for an excess of cosmic neutrinos characterized by an expected spatial distribution which is different from that of atmospheric neutrinos. This method is well suited for the detection of the collective effect produced by populations of weak point-like sources. Chapter 8 describes the simulation of the neutrino flux emitted by AGN. By using the luminosity function for different AGN classes obtained from X-ray observations, and the ANTARES acceptance, neutrinos coming from AGN populations are simulated as a function of two parameters which are related to the number of sources in the population, and to their luminosities. The analysis of these populations with the 2 point correlation function is detailed in chapter 9.


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