JEM-EUSO prototypes for the detection of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) : from the electronics of the photo-detection module (PDM) to the operation and data analysis of two pathnders

par Aera Jung

Thèse de doctorat en Physique de l'Univers

Sous la direction de Étienne Parizot et de Pierre Barrillon.

  • Titre traduit

    Prototypes de JEM-EUSO pour la détection des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie (UHECRs) : de l’électronique du module de photo-détection (PDM) à l’exploitation et l’analyse des données de deux pathfinders


  • Résumé

    L’expérience JEM-EUSO (traduction de Observatoire spatial de l’univers extrême à bord du module de l'expérience japonaise) est conçu pour observer les UHECR en détectant la lumière fluorescente UV émise par la gerbe qui se développe lorsque les UHECR interagissent avec l'atmosphère terrestre. Les gerbes atmosphériques sont constituées de dizaines de milliards de particules secondaires ou plus traversant l'atmosphère quasiment à la vitesse de la lumière, excitant les molécules d'azote qui émettent ensuite de la lumière dans la gamme UV. Alors que cette « technique de fluorescence » est habituellement utilisée au sol, en opérant ainsi à partir de l'espace, JEM-EUSO, pour la première fois, fournira des statistiques élevées sur ces événements. Avec un large champ de vue de ± 30 °, JEM-EUSO pourra observer depuis l’espace un volume d'atmosphère beaucoup plus grand que ce qui est possible du sol, en collectant un nombre sans précédent d'événements UHECR aux plus hautes énergies.Pour les quatre prototypes d’expériences construites par la collaboration, nous avons développé un ensemble commun d'électronique, en particulier le système central d'acquisition de données capable de fonctionner au sol, sur des ballons à haute altitude et dans l'espace.Ces expériences utilisent toutes un détecteur composé d'un module de détection de photo (PDM) identique aux 137 qui seront présents sur la surface focale JEM-EUSO. La lumière UV générée par les gerbes atmosphériques à haute énergie passe le filtre UV et frappe les tubes à photomultiplicateurs multi-anodes (MAPMT). Les photons UV sont alors transformés en électrons, qui sont multipliés par les MAPMT et le courant qu’ils créent est amplifié par des cartes ASIC de circuit intégré (EC-ASIC), qui effectuent également le comptage des photons et l'estimation de charge. Une carte FPGA nommé PDM board s'interface avec ces cartes ASIC, fournissant des paramètres d'alimentation et de configuration à ces cartes ASIC, collecte alors les données et exécute le déclenchement d’acquisition de niveau 1.Dans le cadre de ces travaux, je me suis occupée de la conception, du développement, de l'intégration et du test la carte FPGA PDM board pour les missions EUSO-TA et EUSO-Balloon ainsi que des tests d'algorithme de déclenchement autonomes d’acquisitions et j'ai également analysé les données de vol d’EUSO-Balloon et de la campagne sol EUSO-TA d’octobre 2015.Dans cette thèse, je donnerai un bref aperçu des rayons cosmiques à haute énergie, y compris de leur technique de détection et des principales expériences pour les détecter (chapitre 1), je décrirai JEM-EUSO et ses pathfinders (chapitre 2), je présenterai les détails de la conception et de la fabrication du PDM (chapitre 3) et de la carte FPGA PDM board (chapitre 4), ainsi que des tests d'intégration d’EUSO-TA et d’EUSO-Balloon (chapitre 5). Je ferai un rapport sur la campagne EUSO-Balloon de 2014 (chapitre 6) et sur ses résultats (chapitre 7), y compris une analyse spécifique développée pour rechercher des variations globales de l'émissivité UV au sol et j’appliquerai une analyse similaire aux données collectées sur le site de Telescope Array (Chapitre 8). Enfin, je présenterai la mise en œuvre et le test du déclencheur de premier niveau (L1) dans la carte de contrôle FPGA (chapitre 9). Un bref résumé de la thèse sera donné au chapitre 10.


  • Résumé

    The JEM-EUSO (Extreme Universe Space Observatory on-board the Japanese Experiment Module) international space mission is designed to observe UHECRs by detecting the UV fluorescence light emitted by the so-called Extensive Air Shower (EAS) which develop when UHECRs interact with the Earth’s atmosphere. The showers consist of tens of billions or more secondary particles crossing the atmosphere at nearly the speed of light, which excite nitrogen molecules which then emit light in the UV range. While this so-called “fluorescence technique'” is routinely used from the ground, by operating from space, JEM-EUSO will, for the first time, provide high-statistics on these events. Operating from space, with a large Field-of-View of ±30 °, allows JEM-EUSO to observe a much larger volume of atmosphere, than possible from the ground, collecting an unprecedented number of UHECR events at the highest energies.For the four pathfinder experiments built within the collaboration, we have been developing a common set of electronics, in particular the central data acquisition system, capable of operating from the ground, high altitude balloons, and space.These pathfinder experiments all use a detector consisting of one Photo-detection Modules (PDMs) identical to the 137 that will be present on the JEM-EUSO focal surface. UV light generated by high-energy particle air showers passes the UV filter and impacts the Multi-anode Photomultiplier Tubes (MAPMT). Here UV photons are converted into electrons, which are multiplied by the MAPMTs and fed into Elementary Cell Application-Specific Integrated Circuit (EC-ASIC) boards, which perform the photon counting and charge estimation. The PDM control board interfaces with these ASIC boards, providing power and configuration parameters, collecting data and performing the level 1 trigger. I was in charge of designing, developing, integrating, and testing the PDM control board for the EUSO-TA and EUSO-Balloon missions as well as the autonomous trigger algorithm testing and I also performed some analysis of the EUSO-Balloon flight data and data from the EUSO-TA October 2015 run.In this thesis, I will give a short overview of high-energy cosmic rays, including their detection technique and the leading experiments (Chapter 1), describe JEM-EUSO and its pathfinders including a description of each instrument (Chapter 2), present the details of the design and the fabrication of the PDM (Chapter 3) and PDM control board (Chapter 4), as well as the EUSO-TA and EUSO-Balloon integration tests (Chapter 5). I will report on the EUSO-Balloon campaign (Chapter 6) and results (Chapter 7), including a specific analysis developed to search for global variations of the ground UV emissivity, and apply a similar analysis to data collected at the site of Telescope Array (Chapter 8). Finally, I will present the implementation and testing of the first-level trigger (L1) within the FPGA of the PDM control board (Chapter 9). A short summary of the thesis will be given in Chapter 10.


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